Pato memulai karirnya sebagai pemain muda untuk Internacional pada tahun 2000, membuat debutnya pada tahun 2006 pada usia 16 tahun. Dia kemudian mencetak 12 gol dalam 27 penampilan dan membantu mereka memenangkan Piala Dunia Klub FIFA 2006. Pada Agustus 2007, ia menandatangani kontrak dengan AC Milan. Pada tahun 2009, ia mencetak 18 gol dalam 42 pertandingan di semua kompetisi, yang membuatnya mendapatkan penghargaan Golden Boy dan Serie A Young Footballer of the Year. Selama musim 2010-11, ia membantu Milan memenangkan Serie A.
, di mana ia adalah pencetak gol terbanyak bersama klub dengan 14 gol dalam 25 pertandingan. Pada Januari 2013, Pato kembali ke Brasil dan menandatangani kontrak dengan Corinthians seharga €15 juta, di mana ia memenangkan Campeonato Paulista bersama klub. Pada tahun 2014, Pato bergabung dengan São Paulo dengan kontrak pinjaman dua tahun, di mana ia bermain 95 pertandingan, mencetak 38 gol untuk klub. Pada Januari 2016, Pato dipinjamkan ke klub Liga Primer Inggris Chelsea, sebelum pindah ke Villarreal pada tahun yang sama. Pada tahun 2017, ia menandatangani kontrak dengan klub Cina Tianjin Tianhai, dan, pada tahun 2019, kembali ke São Paulo.