Figlia di una insegnante di origini europee e di un avvocato afro-americano[1][2][3], con la famiglia è cresciuta nell'abitazione sita sulla strada dove si trova la sede della 20th Century Fox. Dopo aver studiato alla Hamilton Magnet Arts High School, ha studiato alla UC Berkeley ma si è poi laureata alla University of Southern California. In quegli anni ha studiato regia e realizzato alcuni cortometraggi in super 8. Successivamente, la PBS le ha offerto la possibilità di partecipare allo show itinerante The Ride, con altri ragazzi, al fine di realizzare vari documentari. Nel 2000 ha lavorato come assistente alla regia per la serie TVMedical Diaries, mentre il suo debutto come attrice avvenne nel film TVMurder Book di Antoine Fuqua. Nel 2005 ha ottenuto piccole parti nei film Hitch - Lui sì che capisce le donne e London.
Dal 2005 al 2014 è stata sposata con il cantante e musicista Robin Thicke.[7] La coppia ha un figlio di nome Julian Fuego Thicke, nato il 6 aprile 2010.
Altri lavori
La Patton ha lavorato nell'album di Usher del 2004Confessions, comparendo come corista nel brano Can U Handle It?, di cui suo marito Robin Thicke è coautore. Per Robin Thicke è apparsa senza veli sulla copertina dell'album A Beautiful World, e ha partecipato ai videoclip per i singoli Brand New Jones, Lost Without U e Love After War.
Laura Romano in Déjà vu - Corsa contro il tempo, Swing Vote - Un uomo da 300 milioni di voti, Mission: Impossible - Protocollo fantasma, Cani sciolti, L'amore in valigia, Warcraft - L'inizio, The Do-Over
Francesca Fiorentini in Rimbalzi d'amore, Precious, Disconnect, Law & Order - Unità vittime speciali
^(EN) Paul Fischer, Exclusive Interview : Paula Patton, su Moviehole.net, 1º agosto 2008. URL consultato il 29 gennaio 2020 (archiviato dall'url originale l'8 agosto 2012).