Fils d’Alexis Chenais, dessinateur industriel, et de Gisèle Collé, mère au foyer, Patrick Chesnais fait ses études au collège Bellefonds et au lycée Corneille à Rouen. Il a fait aussi une année en Cours Préparatoire à l' E.F.R. École Française de Radio - Electricité (Rouen). Bien qu'une carrière prometteuse de footballeur s'offre à lui, il fait le conservatoire de Rouen, puis entre à 18 ans au Conservatoire national supérieur d'art dramatique de Paris où il obtient le Premier Prix de Comédie en 1968. Il se consacre alors durant dix ans au théâtre2.
Il fait ses débuts devant la caméra de Jacques Rozier dans Les Naufragés de l'île de la Tortue en 1974. Il enchaîne ensuite de nombreux rôles de personnages atypiques, que ce soit dans L'Empreinte des géants de Robert Enrico, La Provinciale de Claude Goretta ou dans Les Sacrifiés de Okacha Touita en 1983.
En 1989, Patrick Chesnais remporte le César du meilleur acteur dans un second rôle pour sa composition dans La Lectrice de Michel Deville aux côtés de Miou-Miou. À la fin des années 1980, il s’illustre dans des comédies populaires telles Les cigognes n'en font qu'à leur tête et Promotion canapé, toutes deux réalisées par Didier Kaminka.
En 2000, il réalise Charmant garçon, film pour lequel il obtient le « prix Alain Poiré du meilleur réalisateur » au Festival international des jeunes réalisateurs de Saint-Jean-de-Luz. Depuis, il tourne avec une nouvelle génération de cinéastes tels Manuel Poirier pour Te quiero, Rémi Waterhouse pour Mille millièmes en 2002 ou Philippe Harel avec Tu vas rire, mais je te quitte en 2004.
En 2005, il est à l'affiche du très remarqué Je ne suis pas là pour être aimé de Stéphane Brizé qui lui amène une nomination au César 2006 du meilleur acteur.
En mars 2013, il intègre la troupe des Restos du cœur et il participe au concert et au single des Enfoirés 2013.
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