A Párizs melletti Boulogne-Billancourt-ban született. Anyja belgiumi flamand színésznő, olasz zsidó családból származó apja a második világháborúig kereskedőként dolgozott. A náci megszállás után nem volt hajlandó a sárga csillag viselésére, hamis személyazonosságot szerezve feketekereskedelemből tartotta fenn magát, állítólag a nácikkal kollaboráló franciákkal is üzletelt. Az apa nem nagyon vett részt a gyereknevelésben, az anya folyamatosan távol volt az otthontól, így Patrick és Rudy nevű öccse az anyai nagyszülőknél nőtt fel. A két fiú kapcsolata nagyon szoros volt, Patrickot nagyon megviselte, amikor a leukémiás Rudy tízéves korában meghalt, későbbi műveit öccsének ajánlotta.

Modiano a thones-i Szent József kollégiumban, majd a párizsi IV. Henrik gimnáziumban tanult, ahol a neves író, Raymond Queneau volt a geometriatanára. Az ő hatására kezdett irodalommal foglalkozni, Queneau vezette be az irodalmi berkekbe is. Patrick érettségi után döntötte el, hogy az irodalom lesz a hivatása. Húszévesen iratkozott be a Sorbonne bölcsészkarára, de csak azért, hogy elkerülje a sorkatonai szolgálatot, az előadásokat nem látogatta. Egyetemi évei alatt sanzonszövegeket írt, majd 1968-ban megjelent első regénye La Place de l'Étoile címmel. A második világháborúban játszódó mű egy zsidó kollaboránsról szól, és Modiano apja, aki találva érezte magát, megpróbálta felvásárolni az összes példányt.

1972-ben megjelent Les Boulevards de ceinture című regényéért megkapta a Francia Akadémia nagydíját, neve egyre inkább bekerült az irodalmi köztudatba. A hetvenes évek elejétől kezdve forgatókönyvíróként is dolgozott, első munkája a Louis Malle rendezővel közös Lacombe Lucien című játékfilm volt Franciaország náci megszállásáról. 1978-ban jelent meg a Sötét boltok utcája című regénye, amelynek emlékezetét vesztett főhőse a hatvanas években megpróbálja felidézni a megszállt Franciaországban vele történteket. A detektívregények izgalmait idéző műért elnyerte a legrangosabb francia irodalmi kitüntetést, a Goncourt-díjat.

Az író későbbi műveinek is középponti témája maradt a holokauszt utáni nemzedék identitásválsága, az emlékezés lehetősége. Alapvető fontosságú számára a múlt felfejtése és az önazonosság kérdése. Írásaihoz családja történetéből és a német megszállás alatti eseményekből, valamint interjúkból, újságcikkekből is merít. Előfordul, hogy egy-egy szereplője több történetben is feltűnik, mint ahogy az is, hogy korábbi epizódokat jobban kibont későbbi műveiben, amelyeket Párizs és a történelem kapcsol össze.

Egy 1941-es újságcikk ihlette a Dora Bruder című regényét, amely hazájában valóságos kultuszműnek számít, olyannyira, hogy 2015-ben Párizsban felavatták a Dora Bruder sétányt. A fikció és dokumentumpróza határán egyensúlyozó mű nyelve klasszikusan veretes, ez a végtelenségig lecsupaszított, minden felesleges szótól megfosztott szöveg más műveit is jellemzi.

A Dora Bruderen kívül több regénye is megjelent magyarul, így például a Sötét boltok utcája, az Augusztusi vasárnapok, A Kis Bizsu és az Éjfű is. Írt gyerekkönyveket is, Catherine Certitude című kisregénye a 2015-ös Budapesti Könyvfesztiválra magyarul is megjelent. Regényei közül többet megfilmesítettek.

Modianót 2012-ben az Európai Irodalom Osztrák Állami Díjával tüntették ki. 2014-ben neki ítélték az irodalmi Nobel-díjat, az indoklás szerint az emlékezés művészetéért, amellyel megidézte a legfelfoghatatlanabb emberi sorsokat, és feltárta a náci megszállás mindennapjait. Ugyanebben az évben megkapta a francia Becsületrendet is.

1970-ben vette feleségül Dominique Zehrfuss könyvillusztrátort, akitől két lánya született: Zina rendező, Marie pedig énekes és író lett.