Né le 24 juin 1963 à Petit-Quevilly.
Ancien élève de l'Ecole polytechnique (promotion 1983) et de l'Ecole des mines de Paris. Membre du Corps des mines.
D'après sa biographie sur le site web de l'Ecole des mines de Douai :
De 1989 à 1996, il occupe divers postes dans l'Administration du ministère de l'industrie et dans des cabinets ministériels : conseiller technique du Premier ministre de 1993 à 1995, directeur de cabinet du Ministre des technologies de l'information et de l'Espace de 1995 à 1996.
En janvier 1997, il rejoint le Groupe TOTAL au sein de la branche Exploration & Production en tant que secrétaire général en Angola puis, en 1999, il devient Représentant du Groupe au Qatar et directeur général de la filiale exploration-production au Qatar.
En août 2002, il est nommé directeur Finances, Economie, Informatique de la branche Exploration & Production. En janvier 2006, il devient directeur Stratégie, Croissance, Recherche de la branche Exploration & Production et devient membre du Comité directeur du Groupe en mai 2006.
En mars 2011, Patrick Pouyanné est nommé directeur général Adjoint, Chimie et Directeur Général Adjoint, Pétrochimie. En janvier 2012, il est nommé directeur général de la branche Raffinage-Chimie et membre du Comité exécutif du Groupe.
Suite au décès de Christophe de Margerie, il est nommé directeur général de Total en octobre 2014, en tandem avec le prédécesseur de Margerie, Thierry Desmarest, nommé président non exécutif.
Il a par ailleurs été nommé président du conseil d'administration de l'Ecole des mines d'Alès à compter du 1er juillet 2013, à la place de Jacques Biot.