В 1985-м Пэтерсон был избран в сенат штат Нью-Йорк, на место, которое когда-то занимал его отец. В 2003-м он стал лидером демократического сенатского меньшинства, а в 2006-м Элиот Спитцер, тогда генеральный прокурор Нью-Йорка и кандидат от Демократической партии, выбрал его в качестве напарника. В ноябре 2006-го Спитцер победил на выборах с 69 процентами голосов, а Пэтерсон 1 января 2007 года занял должность вице-губернатора. Когда Спитцер, истративший тысячи долларов на визиты к элитной проститутке, подал в отставку, Пэтерсон занял его пост.
17 марта 2008 года он принес присягу и заодно обнародовал кое-какие тайны из своего прошлого, рассказав широкой аудитории об их с женой взаимной неверности, когда их брак переживал трудные времена.
Первоначально Пэтерсон собирался баллотироваться на второй срок на губернаторских выборах 2010 года, но 26 февраля объявил, что не будет участвовать в первичных выборах внутри Демократической партии. Причиной этого послужили два скандала, в связи с которыми ожидалась даже, что Пэтерсон досрочно подаст в отставку, но губернатор решил оставаться на своем посту до окончания полного срока.
В конце 2009 года один из сотрудников нынешнего губернатора обвинялся в домашнем насилии по отношению к своей подруге. Она подала иск, и Пэтерсон, сначала через своих ассистентов, затем при личной встрече убедил женщину отозвать иск. Теперь его обвиняют в том, что он оказал давление на свидетеля и в соучастии в домашнем насилии. Второй скандал разразился в марте 2010-го, когда прокуратура обвинила Пэтерсона в использовании служебного положения. В октябре 2 009 года Пэтерсон, его сын с другом и двое подчиненных губернатора посетили бейсбольный матч, не заплатив 425 долларов за билеты. По правилам, чиновникам запрещено принимать такие подарки, и, хотя позже губернатор оплатил билеты задним числом, эта ситуация ему весьма громко отозвалась.
За время своей политической карьеры Дэвид Пэтерсон активно выступал против проявлений расизма, а также за отмену в штате смертной казни, и работал над легализацией однополых браков. Он также сторонник исследований стволовых клеток. В качестве губернатора ему пришлось столкнуться с огромным дефицитом бюджета и пойти на такие непопулярные меры, как увеличение налогов.
21 ноября 1992 года Дэвид Пэтерсон женился на Мишель Пейдж Пэтерсон. Она моложе его на 7 лет и работает в системе здравоохранения. У них двое детей – сын Алекс, родившийся в феврале 1994-го, и дочь Эшли, от первого брака Мишель, которую Пэтерсон вырастил как родную.