Leghíresebb szerepe azA csodatevő című filmben volt, amit a színpadon és a mozivásznon is eljátszott, és elnyerte vele a legjobb női mellékszereplőnek járóOscar-díjat. 1980-ban a televíziós adaptációjában a főszereplőt játszotta, amiért Primetime Emmy-díjjal jutalmazták.
Duke jelentős karriert hagyott hátra a televíziós szakmában. Tinédzserként saját tévéműsora voltThe Patty Duke Show címmel, rengeteg tévéfilmben és sorozatban szerepelt, amiért többszörösen jelölték Emmy-díjra. Karrierjét beárnyékolta mentális egészségének romlása, amit 1982-ben sikeresen azonosítottakbipoláris zavarként. Életéről és betegségéről két könyvet jelentetett meg. Patty DukeMackenzie ésSean Astin színészek édesanyja volt.
1946-ban született Anna Marie Duke névenNew Yorkban.[8][9] Apja, John taxisofőr volt, édesanyja, Frances pénztáros, három gyereket neveltek.[8] Mikor Duke hatéves volt, édesapja elhagyta a családot.[8]
Duke gyerekszínészként kezdte a karrierjét, eleinte tévésorozatokban, majd filmekben. 1959-ben immár Patty Duke-ként megkapta a vak és süketHelen Keller szerepét aThe Miracle Worker című színdarabban. A nagysikerű darabot 1961-ben megfilmesítették,Anne Bancrofttal a főszerepben. Duke a filmben megismételte alakítását, és elnyerte érte a legjobb női mellékszereplőnek járóOscar-díjat.[8][9] 1963-ban saját televíziós műsora indultThe Patty Duke Show címmel, amelyben egymásra megszólalásig hasonlító unokatestvéreket alakított, és a műsor közel 100 epizódot ért meg.[8][9]
1967-ben Jacqueline Susann regényének feldolgozásában szerepelt aValley of the Dolls-ban. 1970-ben egy várandós nőt játszottAz én édes Charliem című filmben, aki beleszeret egy afroamerikai férfiba. JátékávalPrimetime Emmy-díjat nyert.[8][9] 1976-ban másodszor is Emmy-díjat nyert aCaptain and the Kings című televíziós minisorozatért.[8][9] 1979-ben aThe Miracle Worker televíziós feldolgozásában is felbukkant, ezúttal a főszerepben, ami harmadik Emmy-díját jelentette.[8][9]
1985-től 1988-ig aScreen Actors Guild-díj szervezetének az elnöke volt.[8] Duke 1990-ben játszott aCall Me Anna című tévéfilmben, ami önéletrajza alapján készült.[8][9] Duke egészen a haláláig aktív maradt, a kilencvenes években rengeteg tévéfilmben szerepelt, majd tévésorozatokban vendégszínészként alakított. Utolsó alakítása posztumusz jelent meg 2018-banPower of the Air címmel.
Két könyvet írt életéről. 1987-ben jelent meg aCall me Anna: The Autobiography of Patty Duke című könyve, amiről 1990-ben tévéfilm készült.[8][9] A regényben leírja, hogy gyerekszínészként kihasználták a menedzserei, szexuálisan bántalmazták, és alkoholfüggővé tették.[8][9] A gyermekként keresett pénze egy részét elköltötték.[8][9] Duke azt is állította, hogy a menedzserei elragadták a családjától, hogy inkább velük éljen, és hatalmat gyakoroltak az élete felett.[8][9] Duke ezért tinédzserként gyógyszerfüggőséggel és alkoholizmussal küzdött.[8][9]
1965-ben feleségül mentHarry Falk társrendezőhöz aThe Patty Duke Show-ból, hogy a két menedzsertől szabaduljon.[8] Házassága végül 1969-ben válással végződött. Második házasságát 1970-ben kötötte, ami 13 nap után érvénytelenítve lett.[8] Harmadik férje,John Astin 1972-ben lett párja, akivel két gyermeket neveltek fel.[8] Két fia,Mackenzie ésSean Astin szintén színészek lettek.[8][9]
Duke mentális egészsége ezidő alatt nem javult. 1982-banbipoláris zavart diagnosztizáltak nála.[8][9] A színésznő betegségéről az 1992-ben megjelent második könyvében írtA Brilliant Madness: Living With Manic-Depressive Illness címmel.[8][9] 1985-ben elvált harmadik férjétől. 1986-ban ment feleségül negyedik és utolsó férjéhez, Michael Pearce-hez, akivel haláláig együtt maradt.[8][9]