Il se démarque dès ses premières années en proposant des portraits de stars sous un œil révolutionnaire. Il croise Elle et Marie Claire, puis s’envole pour les États-Unis et travaille pour Vogues. Ses collaborations à l’époque étaient avec Versace, Calvin Klein, Chanel. Son nom est rapidement associé à différents mannequins comme Kate Moss, avec qui il participe au casting. Ses photographies de Lady Di dans les années 1990 marquent un nouveau tournant dans sa carrière. En effet, alors que la princesse renouvelait entièrement sa garde-robe à l’époque, Patrick Demarchelier a été choisi comme photographe officiel. Avec ce dernier il fera plusieurs couvertures de Vogues britanniques. Parallèlement, ses photos avec Madonna ou Angelina Jolie font le tour du monde. Sa renommée dans le monde de la mode est telle que son nom est souvent cité dans le film Le Diable s’habille en Prada, une satire du monde de la mode dans laquelle Meryl Streep incarne un personnage inspiré d’Anna Wintour. Le photographe du Havre (Normandie, nord-ouest de la France), dont le travail a été exposé en 2008 au Petit-Palais à Paris, est également l’auteur de plusieurs pochettes d’albums, dont Elton John et Céline Dion.
