Die Tochter eines Engländers und einer Spanierin wurde bereits während ihrer Schulzeit entdeckt und an die Elstree-Studios verpflichtet. Ihr Filmdebüt gab sie 1937 in Das Mädchen mit der Maske. 1945 ging sie nach Hollywood und war dort vornehmlich in B-Filmen und später in zahlreichen Fernsehproduktionen zu sehen. Zu ihren bekanntesten Kinofilmen gehören der Abenteuerstreifen Die drei Musketiere (1948) mit Gene Kelly in der Hauptrolle sowie der Thriller Herr Satan persönlich (1955) von und mit Orson Welles. 1952 spielte sie in Aladdin and His Lamp die Hauptrolle der Prinzessin Jasmin.
Nachdem sie seit Anfang der 1960er Jahre vornehmlich in Fernsehproduktionen aufgetreten war, kam sie 1968 in Das Doppelleben der Sister George in einer ungewöhnlichen Rolle als Frauen-Domina zum Kinofilm zurück. 1978 zog sich die Schauspielerin endgültig aus dem Filmgeschäft zurück.
Patricia Medina war von 1941 bis 1951 mit dem Schauspieler Richard Greene verheiratet, diese Ehe wurde geschieden. Im Jahre 1960 heiratete sie den Schauspieler Joseph Cotten, mit dem sie bis zu seinem Tod verheiratet blieb. Beide spielten gemeinsam im Film U 4000 – Panik unter dem Ozean.