Pato ha iniziato la sua carriera come giocatore giovanile per l'Internacional nel 2000, facendo il suo debutto nel 2006 all'età di 16 anni. Ha continuato a segnare 12 gol in 27 presenze e li ha aiutati a vincere la Coppa del Mondo dei Club FIFA 2006. Nell'agosto 2007 ha firmato per il Milan. Nel 2009 ha segnato 18 gol in 42 partite in tutte le competizioni, che gli hanno fatto guadagnare sia il Golden Boy che il premio Serie A Giovane Calciatore dell'Anno. Durante la stagione 2010-11, ha aiutato il Milan a vincere la Serie A.
, dove è stato il miglior marcatore del club con 14 gol in 25 partite. Nel gennaio 2013, Pato è tornato in Brasile firmando per il Corinthians per 15 milioni di euro, dove ha vinto il Campeonato Paulista con il club. Nel 2014, Pato si è unito a São Paulo con un contratto di prestito di due anni, dove ha giocato 95 partite, segnando 38 gol per il club. Nel gennaio 2016, Pato è passato in prestito al Chelsea della Premier League inglese, prima di trasferirsi alla Villarreal spagnola nello stesso anno. Nel 2017 ha firmato per il club cinese Tianjin Tianhai e, nel 2019, è tornato a San Paolo.