Γεννήθηκε τον Δεκέμβριο του 1946 στο Έλμερστ του Κουίνς και ξεκίνησε την καριέρα της στην υποκριτική από πολύ μικρή, εμφανιζόμενη σε τηλεπαιχνίδια, σαπουνόπερες και διαφημίσεις.
Η ηθοποιός ανέβηκε στη σκηνή του Μπρόντγουεϊ το 1959, με το θεατρικό «The Miracle Worker» και όταν το έργο μεταφέρθηκε στον κινηματογράφο τρία χρόνια αργότερα (στην ομώνυμη ταινία του 1962), κατάφερε να κερδίσει Όσκαρ σε ηλικία μόλις 16 ετών, υποδυόμενη την κωφάλαλη Ελεν Κέλερ απέναντι στην Αν Μπάνκροφτ, στο ρόλο της Ανι Σάλιβαν. Χρόνια αργότερα απέσπασε μια υποψηφιότητα για βραβείο Emmy, παίζοντας την Σάλιβαν αυτή τη φορά, δίπλα στην Μελίσα Γκίλμπερτ για μια τηλεταινία του 1979.
Την ίδια χρονιά που κέρδισε το Όσκαρ, πρωταγωνίστησε και στη δική της τηλεοπτική σειρά, με τίτλο «The Patty Duke Show», όπου υποδυόταν δύο δίδυμα ξαδέρφια. Η σειρά διήρκησε τρεις σεζόν και έφερε στην Ντιουκ την πρώτη της υποψηφιότητα για Emmy. Το TV Guide την συμπεριέλαβε στη λίστα με τις 50 κορυφαίες σταρ της τηλεόρασης, όλων των εποχών, στη θέση 40.
Εμφανίστηκε επίσης στην καλτ ταινία «Η Κοιλάδα με τις Κούκλες», το 1967 και κέρδισε Χρυσή Σφαίρα την ταινία «Me, Natalie» ερμηνεύοντας έφηβη από το Μπρούκλιν. Μετά από αυτό εργαζόταν κυρίως στην τηλεόραση.
Μετά τη διάγνωσή της με μανιοκατάθλιψη, το 1982, η Ντιουκ μετετράπη σε δυναμική εκπρόσωπο των ατόμων με πνευματικές διαταραχές. Διέπρεψε επίσης ως πρόεδρος της Ένωσης Αμερικανών Ηθοποιών από το 1985 ως το 1988, η δεύτερη γυναίκα που ανέλαβε αυτή τη θέση και έγραψε μια αυτοβιογραφία το 1990 με τίτλο «Call Me Anna», που δέχθηκε καλές κριτικές. Στην τηλεοπτική μεταφορά του βιβλίου, ερμήνευσε η ίδια τον ώριμο εαυτό της.
