Paula Patton 1975. december-5 én született a Kalifornia állam béli Los Angelesben, az Egyesült Államokban. Ügyvéd édesapja afroamerikai, tanár édesanyja kaukázusi, de angol és német felmenőkkel is rendelkezik.

A család a 20th Century Fox stúdiójának utcájában lakott, és Paula már gyermekkorában arról álmodozott, hogy egyszer belőle is színésznő lesz. Édesanyja szintén nagy filmrajongó volt.

Középiskolai tanulmányait a Hamilton Magnet Arts High Schoolban végezte, majd részt vett a University of South California nyári képzésén, ahol filmkészítést tanult. Ekkor 3 hónapos szerződést a PBS-től, melyet követően gyártásvezető asszisztensként több televíziós dokumentumfilm munkálataiban is részt vett, köztük a Discovery Health Channelen bemutatott Medical Diaries-szel (2000), de ezzel egy időben dolgozott Howie Mandel talkshowjában is.

Ugyan szerette a munkáját, de továbbra is színészkurzusokat látogatott, és a kétezres évek második felétől már színésznőként kamatoztathatta tehetéségt. A mozivásznon a Will Smith nevével fémjelzett A randiguruval (2005) debütált, ezt követte többek közt a Déjà vu (2006) Denzel Washingtonnal, a Tom Cruise főszereplésével készült Mission: Impossible - Fantom protokoll (2011), a 2 kaliber (2013) és az Mi történt az éjjel? (2014).

Legközelebb olyan hollywoodi szuperprodukciókban láthatjuk, mint a Mission: Impossible - Titkos nemzet (2015) és a népszerű videojátékon alapuló Warcraft: A kezdetek (2016).

Paula Patton hosszú ideig alkotott egy pár Robin Thickle-vel, akitől 2014-ben vált el. Egy közös gyermekük született 2010-ben.