Patel è apparso al fianco di Judi Dench, Maggie Smith, Bill Nighy e Richard Gere nel film di John Madden, Marigold Hotel e Ritorno al Marigold Hotel della Fox Searchlight, al fianco di Hugh Jackman, Sharlto Copley e Sigourney Weaver nella pellicola di Neill Blomkamp, Humandroid, della Columbia, con Jeff Daniels ed Emily Mortimer nelle tre stagioni della serie HBO nominata ai Golden Globe®, The Newsroom, creata da Aaron Sorkin. È stato nominato ai NAACP Award del 2013 come Miglior Attore Non Protagonista per il suo ritratto di “Neal” nello show.  

Ha raggiunto il successo nel 2009, quando ha interpretato il ruolo da protagonista nel film diretto da Danny Boyle, The Millionaire, vincitore all’Academy Award®.  Ha ricevuto recensioni entusiastiche per la sua interpretazione e ha vinto numerosi premi, incluso il National Board of Review Award come Best Breakthrough Performance, il British Independent Film Award come Most Promising Newcomer, il Broadcast Film Critics Choice Award come Best Young Actor e il Chicago & Washington Film Critics’ Awards come Most Promising Performer.  Ha anche recitato nella serie televisiva della BBC, Skins.

Nel 2016 Patel è al fianco di Nicole Kidman e Rooney Mara nel film di Garth Davis, Lion della Weinstein Company.