1976. július 18-án született a spanyolországi Madridban,[4] José Francisco Lafuente spanyol biokémikus és Cristina Pataky Medianu erdélyi magyar származású publicista lányaként.[5][6] Van egy fiatalabb féltestvére, Cristian Prieto Medianu, aki filmrendező. A Pataky vezetéknevet anyai nagyanyja, Rosa Pataky tiszteletére használja.[7] A spanyol és a román mellett folyékonyan beszél angolul, olaszul, portugálul és franciául.[8][9]
Tanulmányait az Universidad de San Pablo Egyetemen végezte újságíróként.[10] Ezután tagja lett a madridi Teatro Cámara de Ángel Gutiérrez színtársulatnak. Végül otthagyta az iskolát, amikor 1997-1998 között megkapta első sorozatszerepét az Al Sair de clase című drámasorozatban. Ennek sikere után 2000-ben megkapta élete első filmjét, az El Arte de morir-t. Még ebben az évben játszott a Kardok királynője című sorozatban is, melyben Senora Vera Hidalgót alakította.
Magánélete
Michaël Youn francia színésszel járt 2004 és 2006 között.
Adrien Brody amerikai színésszel volt együtt egy ideig, 2007–2009 között. A pár 2009-ben szakított. 2010 decemberében kötött házasságot Chris Hemsworth ausztrál színésszel. 2012 májusában megszületett első közös gyermekük, egy kislány, India Rose,[11] majd 2014 májusában megszülettek ikreik, Tristan és Sasha.[12][13] 2015-ben Pataky és Hemsworth Los Angelesből Ausztráliába, Byron Baybe költöztek.[14]
2012 szeptemberében Pataky 310 ezer eurós kártérítést kapott a spanyol legfelsőbb bíróságon az Ediciones Zeta kiadói csoport elleni perben.