Родился в пригороде Парижа. Он рос в семье со скромным достатком вместе с четырьмя братьями, а в 17 лет получил в подарок фотоаппарат Kodak, подрабатывал в фотомастерских, научился проявлять плёнку, ретушировать негативы, начал снимать друзей и свадьбы. Так началась карьера одного из самых авторитетных фотографов в мире моды. .

В 1960-х годах начинающий фотограф подрабатывал в фотомастерских, занимался печатью и ретушью, изготовлял комбинированные фотографии для выпускных классов школ. Вскоре он решил фотографировать сам: около года работал для мелких агентств, некоторое время был ассистентом у известного фотографа Ханса Фойрера. В начале 1970-х годов его работы стали появляться в таких известных журналах как «Elle», «Marie Claire» и «20 Ans».

В 1975 году 32-летний Демаршелье уехал из Франции в Соединённые Штаты. В Америке карьера Патрика Демаршелье пошла в гору. Его фотографии появились в престижных журналах «Glamour» и «Mademoiselle». Вскоре его работу заметил и оценил художественный директор издательства «Conde Nast Publications» Александр Либерман. В 1980-х Демаршелье сотрудничал с журналами «Glamour» и «Mademoiselle», «GQ», «Rolling Stone», а несколько позже «Harper’s Bazaar» и «Vogue».

С 1989 года стал первым официальным фотографом небританского происхождения, который снимал королевскую семью по настоянию принцессы Дианы Уэльской. Фотографа трижды приглашали снимать легендарный календарь Pirelli (2005, 2008 и 2014).

В 1995 году он выпустил свой первый фотоальбом с наименованием «Патрик Демаршелье: Фотографии. Демаршелье издал 12000 экземпляров, а через год он выпустил ещё 5000. В 1997 году вышла книга «Патрик Демаршелье: Открытие элегантности», в 1998 — «Патрик Демаршелье: Формы». Его книги несколько раз переиздавались. Патрик Демаршелье отошёл от статичных портретов и принёс в модную фотографию больше живого движения и естественности. В своём творчестве он всегда преследовал так называемую «эстетику случайного кадра». Эмоциональность, выразительность, элегантность и эффект спонтанности считают основными чертами его работ.