Il commence la photographie à l’âge de 17 ans avec un appareil photo offert par son beau-père. À 20 ans, Demarchelier s’installe à Paris et devient l’assistant d’Hans Feurer. Après cette expérience, il commence ensuite à travailler pour Elle et Marie-Claire.
En 1975, il s’installe à New York et il collabore régulièrement avec Glamour et Vogue. Fin des années 70, il signe un contrat d’exclusivité avec le prestigieux Harper’s Bazaar.
En 1989, Lady Diana fait de Patrick Demarchelier son photographe officiel et sa popularité s’accroit. Les stars du cinéma, de la chanson et du showbiz se pressent sous son objectif.
En 2008, il expose 400 tirages au Petit Palais à Paris confirmant ainsi son importance sur la scène photographique internationale.