Diplômé de l’Ecole Polytechnique et ingénieur du Corps des Mines, Patrick Pouyanné a occupé différentes fonctions au Ministère de l’industrie et dans les cabinets ministériels de 1989 à 1996. Il a notamment été conseiller technique du Premier ministre pour l’industrie et l’environnement de 1993 à 1995 et directeur de cabinet du ministre des technologies de l’information et de l’espace de 1995 à 1996.
Patrick Pouyanné rejoint Total en Janvier 1997 comme secrétaire général de Total Exploration & Production Angola puis est nommé représentant du groupe au Qatar en 1999.
En août 2002, il devient directeur finances, économie et systèmes d’information de la branche Exploration & Production, puis en janvier 2006, directeur stratégie, croissance, recherche de celle-ci.
En janvier 2012, il est nommé directeur général de la branche raffinage-chimie et membre du comité exécutif du groupe.
Le 22 octobre 2014, Patrick Pouyanné est nommé directeur général de Total par le conseil d’administration, et devient simultanément président du comité exécutif du groupe.
Le 29 mai 2015, Patrick Pouyanné est élu membre du conseil d’administration de Total puis, le 16 décembre 2015, il est désigné président directeur général de Total. Le 28 Mai 2021, le nom Total est changé en TotalEnergies.
Patrick Pouyanné est membre du conseil d’administration de Capgemini, de l’AFEP, de l’Institut du Monde Arabe, de l’Ecole Polytechnique et de l’Institut Polytechnique de Paris. Il est également président de l’Alliance pour l’Education, association française de lutte contre le décrochage scolaire. Il a été fait chevalier de la Légion d’honneur en avril 2015.