Pattinson började sin skådespelarkarriär i början av 2000-talet med roller i ett antal filmer och tv-serier, inklusive den tyska tv-filmen *Ring of the Nibelungs* (2004) och BBC-anpassningen av J. R. R. Tolkiens roman *The Hobbit* (2003) . Hans genombrottsroll kom 2005 när han fick rollen som Edward Cullen i filmatiseringen av Stephenie Meyers roman *Twilight*. Filmen blev en kritisk och kommersiell framgång, gav fyra uppföljare och gjorde Pattinson till ett känt namn.
Sedan *Twilight*-serien avslutades har Pattinson medverkat i ett antal oberoende filmer, inklusive *Remember Me* (2010), *Water for Elephants* (2011), *Cosmopolis* (2012), *Maps to the Stars* ( 2014) och *Good Time* (2017). Han har också medverkat i flera stora budgetfilmer, som *Harry Potter and the Goblet of Fire* (2005), *New Moon* (2009), *Eclipse* (2010), *Breaking Dawn - Del 1* (2011) ), och *Breaking Dawn - Del 2* (2012).
Utöver sin skådespelarkarriär är Pattinson även musiker och producent. Han har släppt två album, *Twilight:Original Motion Picture Soundtrack* (2008) och *Life and Times* (2011), och har producerat flera kortfilmer och musikvideor.
Pattinson har utsetts till en av de "100 mest inflytelserika människorna i världen" av tidningen *Time* och en av de "50 vackraste människorna i världen" av tidningen *People*. Han har också vunnit ett flertal priser för sitt skådespeleri, inklusive MTV Movie Award för bästa manliga prestation och Teen Choice Award för Choice Movie Actor:Romance.