Neal urodziła się jako Patsy Louise Neal, w Packard, w hrabstwie Whitley County, w stanie Kentucky, jako córka Williama Burdette’a Neala i Eury Mildred Petrey. Neal miała brata oraz siostrę. Dorastała w Knoxville, w stanie Tennessee, gdzie uczęszczała do Knoxville High School. Studiowała na wydziale dramatycznym na Northwestern University.
Po przeprowadzce do Nowego Jorku, rozpoczęła swoją pierwszą pracę jako dublerka w broadwayowskiej produkcji The Voice of the Turtle. Następnie pojawiła się w Another Part of the Forest (1946), zdobywając nagrodę Tony dla najlepszej aktorki drugoplanowej w sztuce, podczas pierwszej ceremonii wręczenia nagród Tony.
W 1952 roku, aktorka przeżyła załamanie nerwowe po tym, jak zakończył się jej związek z Cooperem. Aktorka opuściła Hollywood i wróciła do Nowego Jorku, gdzie występowała w broadwayowskiej sztuce The Children's Hour. Występowała również w Roomful of Roses w 1955 roku i jako matka w The Miracle Worker w 1959 roku. Do filmu powróciła rolą w Twarz w tłumie (1957), zagrała również w słynnym Śniadaniu u Tiffany’ego (1961), u boku Audrey Hepburn.
W 1963 roku, Neal otrzymała Oscara dla najlepszej aktorki za rolę w filmie Hud, syn farmera, gdzie zagrała u boku Paula Newmana. Za rolę w tym filmie otrzymała również nominację do Złotego Globu oraz nagrodę BAFTA. Trzy lata później, w 1965 roku, wraz z Johnem Wayne’em wystąpiła w filmie Otto PremingeraWojna o ocean, za który otrzymała swoją drugą nagrodę BAFTA. W 1965 roku otrzymała propozycję zagrania roli pani Robinson w filmie Absolwent, jednak aktorka zapadła w śpiączkę na ponad trzy tygodnie, co uniemożliwiło jej granie w filmach. Film telewizyjny The Patricia Neal Story pokazuje m.in. jej rehabilitację po tej chorobie oraz powrót do aktorstwa, który nastąpił w 1968 roku, kiedy to Neal wystąpiła w filmie The Subject Was Roses, za który otrzymała nominację do Oscara. W późniejszym okresie zagrała Olivię Walton w filmie telewizyjnym The Homecoming: A Christmas Story (1971), który był odcinkiem pilotażowym serialu The Waltons. Choć otrzymała Złoty Glob za swój występ, nie została zaproszona do odtworzenia roli w serialu telewizyjnym. Następnie Neal zagrała owdowiałą, umierającą matkę, która próbuje znaleźć dom dla trójki swoich dzieci, w odcinku serialu NBCDomek na prerii.
W Knoxville działa centrum rehabilitacji dla osób po udarze mózgu jej imienia. Patricia Neal Rehabilitation Center w Fort Sanders Regional Medical Center został założony w 1978 roku. W roku 2006 aktorka grała w reklamie, promującej centrum. W 1999 roku zagrała tytułową rolę ciotki Cookie w filmie Roberta AltmanaKto zabił ciotkę Cookie?.
Aktorka zmarła w swoim domu na wyspie Martha’s Vineyard na raka płuc, 8 sierpnia 2010 roku, w wieku 84 lat.
Podczas realizacji filmu The Fountainhead (1949), Neal miała romans ze swoim filmowym mężem, Garym Cooperem, którego poznała w 1947 roku. Ona miała wówczas 21 lat, Cooper 46. W 1950 roku, żona Coopera, Veronica, dowiedziawszy się o romansie męża, wysłała telegram do Neal, w którym domagała się jego natychmiastowego zakończenia. Neal zaszła w ciążę z Cooperem, ale ten namówił ją do przerwania ciąży.
W 1951 roku podczas kolacji u Lillian Hellman Neal poznała brytyjskiego pisarza Roalda Dahla. Pobrali się 2 lipca 1953 roku w Trinity Church w Nowym Jorku. Para miała piątkę dzieci: Olivię Twenty (1955–1962, dziecko zmarło na odrę mózgu), Chantal Tessę Sophię (ur. 1957), Thea Matthew (ur. 1960), Ophelię Magdalenę (ur. 1964) i Lucy (ur. 1965).
W czasie ciąży z Lucy w 1965 roku, Neal pękł tętniak mózgu, co spowodowało zapadnięcie w śpiączkę na trzy tygodnie. 4 sierpnia 1965 roku urodziła zdrową córkę. Neal i Dahl byli małżeństwem przez trzydzieści lat, małżeństwo zakończyło się rozwodem w 1983 roku, po ujawnieniu romansu Dahla z przyjaciółką rodziny, Felicity Crosland.
