Родился 11 ноября 1899 года в Милуоки в американо-ирландской семье католиков. Назван в честь деда-архитектора. погибшего в Нью-Йорке.
В детстве Пэт служил алтарным мальчиком в церкви. Он учился в Академии Маркетт вместе с другим будущим актёром Спенсером Трейси, с которым они дружили всю жизнь. Во время Первой мировой войны О'Брайен и Трейси присоединились к ВМС США. Они оба посещали военно-морской учебный центр Гранд Лейкс, но война закончилась раньше их обучения.
Творческая карьера О'Брайена началась в 1920-е с бродвейских постановок. Уже в следующем десятилетии он также стал популярным актёром кино. Наиболее часто ему доставались роли полицейских и священников. Первая главная роль была им сыграна в фильме 1931 года «Первая полоса», где его партнёром был Адольф Менжу.
Личная жизнь
С 1931 года до самой своей кончины был женат на актрисе Элоизе Тейлор. У них было четверо детей. Тейлор пережила мужа на четыре года и умерла в декабре 1987-го.