Duke ganó un Oscar a la edad de 16 años por su papel en la película The Miracle Worker, como mejor actriz de reparto. En ese entonces se convirtió en la actriz más joven que recibía ese galardón.
Previamente había actuado en Broadway en la versión teatral de esa obra, en el mismo papel de una adolescente ciega y sordomuda.
Destacó también a partir de 1963 en el programa de televisión que llevaba su nombre y que se canceló tras tres temporadas.
Entre los galardones que recibió figuran dos Golden Globe y tres premios Emmy. Desde 2004 figura su nombre en el Paseo de la Fama de Hollywood.
La también cantante y autora de dos libros, Patty Duke, que sufría de desorden de personalidad bipolar, se casó en cuatro ocasiones. Viviía en la localidad de Hayden, en el estado de Idaho.
