早年生活
帕特森出生于艾奧瓦州米切爾維爾，在格林內(nèi)爾學(xué)院獲得化學(xué)學(xué)位，并認(rèn)識(shí)了他的妻子 Lorna (Laurie) McCleary。之后他和妻子一起前往艾奧瓦大學(xué)就讀碩士學(xué)位，研究分子光譜學(xué)。之后他和妻子都參與了曼哈頓計(jì)劃，先是在芝加哥大學(xué)工作，再到田納西州橡樹嶺，并且接觸到質(zhì)譜法。
戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束后帕特森和妻子回到芝加哥，他的妻子獲得紅外線光譜學(xué)研究員職位，而帕特森則在芝加哥大學(xué)哈里森·布朗的指導(dǎo)下就讀博士班。在芝加哥大學(xué)擔(dān)任一年博士后研究員后，帕特森和布朗于1952年前往加州理工學(xué)院地質(zhì)與行星科學(xué)系任教，并且是該系地球化學(xué)組的創(chuàng)始師資。帕特森之后直到退休都任職于加州理工學(xué)院，并且和其妻育有4名子女。
地球年齡的測(cè)定
布朗在芝加哥大學(xué)期間開發(fā)出一套計(jì)算火成巖中鉛同位素含量的新方式，并且讓帕特森在1948年時(shí)以此作為他的博士論文主題。這段期間帕特森在隕石是太陽(yáng)系形成后未能形成體積較大天體而被遺留在太空中的物質(zhì)這項(xiàng)假設(shè)下進(jìn)行研究，這暗示量測(cè)出隕石的年齡就可知道地球大約的年齡。帕特森用了數(shù)年時(shí)間收集隕石樣本，并于1953年獲得來自代亞布羅峽谷隕石的最終實(shí)驗(yàn)樣本。之后他將樣本帶到阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室以當(dāng)時(shí)最新式的質(zhì)譜儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
在一次于威斯康辛州舉辦的會(huì)議之后，帕特森公布了他的研究成果。他宣布地球的年齡約45.5億年（誤差范圍正負(fù)7千萬年）。這個(gè)年齡值至今仍被認(rèn)可，雖然誤差范圍已經(jīng)縮小到正負(fù)2千萬年。
地球化學(xué)演化研究
帕特森當(dāng)時(shí)已能從尋常巖石中以微克級(jí)的鉛確認(rèn)由哪些同位素組成，并且讓他得以從大西洋和太平洋底的沉積物樣本分析其中的鉛同位素。在不同年代從陸地送入海洋的沉積物中，帕特森發(fā)現(xiàn)了海洋中的鉛來自人類活動(dòng)的含量是自然過程的80倍，這代表了鉛的地球化學(xué)循環(huán)失去平衡。
而當(dāng)時(shí)化學(xué)分析技術(shù)的限制讓帕特森以其他種方式進(jìn)行相關(guān)研究。他發(fā)現(xiàn)在深海海水中鉛含量是表面海水中的3到10分之1，相較之下，鋇等和鉛類似的金屬在不同深度的含量卻與鉛相反。這讓他對(duì)當(dāng)時(shí)普遍的觀點(diǎn)，即鉛濃度變化是由兩個(gè)自然界的量級(jí)組成的因子感到懷疑。
帕特森回到最初他的實(shí)驗(yàn)中所碰到的問題，以及他在取樣中發(fā)現(xiàn)的鉛污染。他從來自格陵蘭的冰核樣本中確認(rèn)大氣層中的鉛含量在四乙基鉛被加入汽油以減少內(nèi)燃機(jī)的爆震后快速增加。他隨后確認(rèn)了鉛在許多方面的使用是他的樣本被污染的原因，而他的發(fā)現(xiàn)會(huì)對(duì)大眾的健康有顯著影響。因此帕特森的余生致力于避免鉛進(jìn)入環(huán)境造成污染。
對(duì)抗鉛中毒
自1965年帕特森出版了《Contaminated and Natural Lead Environments of Man》開始，他試圖讓社會(huì)大眾注意到鉛因?yàn)楣I(yè)上大量使用使環(huán)境和食物鏈中鉛含量增加產(chǎn)生的問題。也許部分是因?yàn)樗u(píng)其他科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)方式，他的觀點(diǎn)因此被羅伯特·基歐等當(dāng)時(shí)被大眾公認(rèn)的專家反對(duì)。
帕特森致力于確保汽油中不再含鉛，并且他拒絕了雇用基歐的乙基公司的游說，以及反對(duì)使用托馬斯·米基利所發(fā)明的化學(xué)物質(zhì)，其中包含了四乙基鉛和氯氟烴，而這代表他要和與鉛添加劑有關(guān)的化學(xué)工業(yè)對(duì)抗。因?yàn)榕撂厣瓕?duì)鉛化學(xué)工業(yè)的批評(píng)，他因此被許多研究機(jī)構(gòu)拒絕合作，其中包含了所謂立場(chǎng)中立的美國(guó)公共衛(wèi)生局。1971年美國(guó)國(guó)家科學(xué)研究委員會(huì)拒絕他參加大氣層鉛污染的座談小組，即使他在當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是這方面最重要的專家。
帕特森的努力最終使美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局于1973年宣布將逐步使美國(guó)的含鉛汽油減少60%至65%，最終于1986年全美國(guó)停止使用含鉛汽油。在此之后美國(guó)人的血鉛濃度于1990年代晚期比停用含鉛汽油以前下降最多80%。
接著，帕特森把注意力轉(zhuǎn)移到了因?yàn)槿狈︻愃茖?shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，而被忽略的罐頭食物鉛含量增加問題。在其中一項(xiàng)研究中，他發(fā)現(xiàn)每公克罐頭魚肉的鉛含量比新鮮魚肉多了0.3到1400納克，而官方實(shí)驗(yàn)室的報(bào)告則稱多了400到700納克。他檢驗(yàn)了1600年前秘魯人骨架中的鉛、鋇和鈣含量后，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代人骨架中的鉛含量高達(dá)古代秘魯人的700到1200倍，而鋇和鈣的含量則沒有明顯增加。
1978年帕特森進(jìn)入美國(guó)國(guó)家科學(xué)研究委員會(huì)的相關(guān)小組，并且他許多新增的要求減少使用鉛的建議被接受，但也被認(rèn)為還需要更多的研究。他提出的78頁(yè)少數(shù)派報(bào)告中提到應(yīng)該立刻開始控制各種用途中的鉛含量，其中包含了汽油、食品容器、涂料、釉料和輸水系統(tǒng)。報(bào)告提出30年后，他的觀點(diǎn)大部分在美國(guó)和全世界大部分地區(qū)被接受并且推行。
去世
帕特森于1995年12月5日在加州 Sea Ranch 家中因?yàn)閲?yán)重的哮喘去世。