В 1941 году окончил Киевский индустриальный институт (ныне Национальный технический университет Украины) по специальности «инженер-электрик». В 1941-1942 гг. — инженер электротехнической лаборатории на судостроительном предприятии «Красное Сормово», г. Горький. С 1942 года — в Институте электросварки им. Е.О. Патона: младший, старший научный сотрудник, с 1944 года — зав.отделом, с 1950 года — зам.директора по науке, с 1953 года по настоящее время — директор Института. С 1962 года по настоящее время — Президент Национальной академии наук Украины (НАН Украины): он единственный в мире глава государственной Академии наук, который является ее ровесником (день основания Академии и день рождения Б.Е. Патона совпадают — 27 ноября 1918 года).
В 1962-1989 гг. — депутат Верховного Совета СССР, в 1966-1989 годах — заместитель Председателя Совета Союза, в 1989-1991 гг. — народный депутат СССР от КПСС.
Член-корреспондент АН СССР с 1951 года, академик АН СССР с 1962 года — ныне в Отделении химии и наук о материалах РАН.
Специалист в области электросварки использования методов электросварки в металлургии.
Академик Б.Е. Патон — выдающийся советский и украинский ученый в области металлургии, технологии металлов и электросварки.
Его научные исследования посвящены процессам автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом; разработке теоретических основ создания автоматов для сварки и сварочных источников питания; проблемам управления сварочными процессами; созданию перспективных конструкций и функциональных материалов будущего. Под его руководством создан принципиально новый способ сварки — электрошлаковый. Возглавил исследования по применению сварочных источников теплоты в целях повышения качества выплавляемого металла, основал новую отрасль металлургии — спецэлектрометаллургию. Первым начал и активизировал исследования в области применения сварки и родственных технологий в космосе, создания космических конструкций — в 1969 году новые методы сварки опробовали в космическом пространстве; опыты по свариванию швов электронно-лучевым и плазменно-дуговым методами были проведены под непосредственным его руководством. Является признанным лидером в этой сфере научно-технической деятельности.
Главный инициатор уникальной технологии сварки живых тканей, используемой в хирургии.
Под его руководством коллектив Института создал целый ряд сложных мостов — цельносварной мост через Днепр, мост через самый глубокий в Европе каньон над рекой Смотрич, мост «Бегущая лань» (Каменец-Подольский) спроектирован без опор.
Он был в числе академиков, воспрепятствовавших в свое время строительству Чернобыльской АЭС возле Киева — предостерегал правительство в отношении опасного объекта. В апреле 1986 года Патон одним из первых приступил к ликвидации последствий катастрофы, в 1997 стал во главе экспертов, решавших актуальную проблему Чернобыля.
Автор и соавтор более 1200 публикаций, в том числе 20 научных монографий, имеет более 720 изобретений (500 иностранных патентов).
Главный редактор журналов «Автоматическая сварка», «Техническая диагностика и неразрушающий контроль», «Современная электрометаллургия», «Вестник Национальной академии наук Украины». С 1960-х годов — член редколлегии журнала «Наука и жизнь».
Член Президиума АН СССР (1963—1991). В 1963-1991 гг. — член Президиума Комитета по Ленинской и Государственной премиям СССР в области науки и техники; в 1989-1991 гг. — глава Комитета международной Ленинской премии мира.
Член секции наук о материалах ОХМН РАН; председатель Научного совета «Новые процессы получения и обработки металлических материалов» РАН.
С 1993 года по настоящее время — Президент Международной ассоциации академий наук, с 2002 по настоящее время — Президент Совета Президентов Национальных академий наук государств-членов организации Черноморского экономического сотрудничества.
Член Международного комитета по научно-техническому развитию стран СНГ; возглавляет Международный научный совет по сварке и родственным технологиям; председатель Координационного совета межгосударственной программы «Высоконадежный трубопроводный транспорт»; член правления Международной топливно-энергетической ассоциации; член попечительского совета Международного фонда ядерной безопасности.
Действительный член Академии Европа; Международной академии наук, образования, индустрии и искусств (США); Международной астронавтической академии (США).
Иностранный член Болгарской АН (1969), Чехословацкой АН (1973), Академии наук и искусств Боснии и Герцоговины (1975), АН ГДР (1980), Шведской академии инженерных наук (1986), Национальной АН Индии (1994), АН Беларуси (1995), АН Казахстана (1995), АН Грузии (1996), Национальной АН Таджикистана (2001), Национальной АН Киргизской Республики (2004).
Член Международной инженерной академии (1991), Американского сварочного общества (1978), Международного общества по материаловедению (1994).
Заслуженный изобретатель СССР.
Дважды Герой Социалистического труда.
Награжден дважды орденом Ленина, орденом Трудового Красного Знамени, орденом Октябрьской Революции, орденом Дружбы народов, орденом «За заслуги перед Отечеством» II и I ст., орденом Почета.
Лауреат Ленинской премии, Сталинской премии третьей степени, премии Совета Министров СССР.
Удостоен многих Государственных и Национальных премий стран мира, в том числе Государственных наград Украины. Герой Украины.
Ему вручены Большая золотая медаль РАН имени М.В. Ломоносова, Золотая медаль имени С. И. Вавилова, Золотая медаль имени С.П. Королева, Золотая медаль имени В. И. Вернадского.
Отмечен Международной энергетической премией «Глобальная энергия», серебряной медалью ЮНЕСКО имени Альберта Эйнштейна.