Анна Мэри «Пэтти» Дьюк (Anna Marie «Patty» Duke) родилась 14 декабря 1946 года в нью-йоркском районе Куинс, в семье кассирши Фрэнсис и водителя такси Джона Патрика Дьюка. Её отец был ирландцем, а бабушка по материнской линии — немкой. Её семья была не очень благополучной: отец страдал от алкоголизма, а у матери были частые депрессии, и к тому же она была склонна к насилию. Когда Анне Мэри исполнилось шесть лет, её мать ушла от мужа, забрав дочь с собой.
В восьмилетнем возрасте Дьюк обнаружили агенты Джон и Этель Росс, разглядевшие в ней талант и решившие сделать из неё маленькую актрису. Они же в то время стали фактически опекунами для неё и изменили её имя на сценическое Пэтти Дьюк, надеясь, что она достигнет такого же успеха, как Пэтти Маккормак.