Al op jonge leeftijd volgde Paay piano en balletlessen en in 1965 debuteerde ze als zangeres in een nachtclub in het jazz orkest van haar vader met de naam The Evergreens. Samen met Anita Meyer en haar zus Yvonne Keeley vormde ze haar eigen backinggroep.
Na haar televisiedebuut in 1966 bij de Tros met Patricia zingt, een programma van 20 minuten, bracht ze eind jaren zestig Nederlandstalige nummers uit, waarvan de single Je bent niet hip een hit werd. Detail: Op het plaatje tikt Pierre Kartner alias Vader Abraham met een lepeltje tegen een colaflesje. Twee andere Nederlandstalige singles bereikten eveneens de Top 40. In 1969 deed ze met het liedje Jij mee aan het Nationaal Songfestival, maar verloor van Lenny Kuhr. Later uitgebrachte Engelstalige nummers (later ook de single "Hey Girls/Prove It to Me" (1968, label Delta-DS 1286, onder het pseudoniem Honey Bee) werden geen succes. In 1970 zong Patricia de hoge vrouwenstem op Back Home een Nr. 1 hit van de Golden Earring.In 1971 maakte ze nog een single onder het pseudoniem Ivy Christie ("One Way Ticket / Surprise, Surprise", label Lowland 180 119).
In 1971 richtte Paay haar eigen groep Himalaya op, die in 1973 overging in de groep Heart en weer later (toen Patricia alweer vertrokken was) in Limousine.
In 1972 maakte ze als duo met haar zus Yvonne Keeley een single onder de artiestennaam Honey Pie.
Paay werd pas echt populair vanaf 1974, toen ze opnieuw aan een solocarrière begon. Haar eerste solo elpee Beam Of Light was nog niet echt succesvol, maar de in 1976 verschenen discosingles Someday My Prince Will Come (een Disney klassieker) en Now (Is The Moment), een Dave Berry cover, werden hits. Paay deed ook veel studiowerk zoals achtergrondzang. Zo was zij (net als de latere Luv zangeres José) duidelijk te horen op de hit Standing On The Inside van Full House uit 1976. In januari 1977 scoorde Paay haar grootste hit: Who's That Lady With My Man, een nummer dat Jaap Eggermont had gehoord op de Franse radio en in samenwerking met de jongens van Catapult bewerkte voor Patricia. Ook de opvolger Livin' Without You deed het goed in de hitparades. Beide zijn Jaap Eggermont producties.
Na deze successen nam ze eind jaren zeventig enkele albums op: de succesvolle lp The Lady Is A Champ en Malibu Touch. De single Malibu werd een hit. Verder neemt ze nog een duet op met Jacques Kloes: You Make It Allright en met haar zus The Best Friend I Know. In de jaren tachtig volgden wat successen met onder andere Saturday Nights en Who Let The Heartache In in 1981 van het album Playmate en toen kwam Tomorrow (Dit nummer uit de musical Annie,aangereikt door haar toenmalige manager John van Katwijk en geproduceerd door Jaap Eggermont bereikte de derde plaats in de top veertig)en daarna nog Solitaire (een Neil Sedaka song) van het album Dream World.
In 1983 trad ze voor de grap samen met haar moeder en haar zus Yvonne op als het trio The Star Sisters. Zij zongen liedjes van de Andrews Sisters. Producer Jaap Eggermont van Stars on 45 zag hier brood in en nam ze onder contract. De plaats van de moeder werd daarbij ingenomen door Sylvana van Veen. Hun Andrews Sisters-medley Proudly presents The Star Sisters bereikte de eerste plaats in de Top 40 en de Nationale Hitparade,het werd bovendien een nummer één hit in Frankrijk. De speaker op de plaat is Adam Curry haar latere echtgenoot. Met de bijbehorende clip werd geschiedenis geschreven in de Nederlandse clip historie. De follow up Hooray for Hollywood werd in 1984 ook een hit. In datzelfde jaar was Paay naaktmodel in de Nederlandse editie van het mannenblad Playboy.
In 1986 kwam de single Are You Ready For My Love uit, waarop dj Adam Curry de rap verzorgde. In 1987 verscheen nog de single Bad Girls, een medley van sexy liedjes. Daarna werd het stil rond The Star Sisters. Sylvana van Veen is dan al vervangen door Ingrid Ferdinandusse. In datzelfde jaar vertrok Patricia Paay met partner Adam Curry naar New York. Hierna verscheen de single Stop Me in de Tipparade en in 1992 nam Paay een duet op met Rob de Nijs: De Wereld. In 1996 was Paay voor de tweede keer te zien in de Playboy.
Begin 1999 keerden Paay en Curry terug naar Nederland. Vanaf 2003 was ze samen met Curry te zien in de realitysoep Adam's Family. In 2004 verhuisde het gezin naar Engeland.
In 2006 en 2007 deed Paay mee aan het dansprogramma Dancing with the Stars. In 2008, 2009 en 2010 was ze te zien als jurylid in de SBS 6 programma's Holland's Got Talent en Popstars.
Eind 2009 stond voor de derde keer een fotoreportage van haar in het blad Playboy. Hiermee was Paay met haar 60 jaar het oudste model ter wereld met een blootreportage in Playboy.
In 2010 Bracht Patricia Paay samen met Remco Bastiaansen de dans-DVD Forever Fit uit.
Vanaf 1 september 2011 zit Patricia Paay samen met Patty Brard en Tatjana Simic in het programma Diva's draaien door.