Pempengcos stora genombrott kom 2006, då hon fick rollen som "Nora Clark" i dansfilmen "Step Up". Filmen blev en kommersiell framgång och samlade in över 114 miljoner dollar över hela världen. Pempengcos insats i filmen hyllades av kritiker och hon nominerades till en MTV Movie Award för "Bästa genombrottsprestation".
Efter framgången med "Step Up" spelade Pempengco huvudrollen i flera andra filmer och tv-program, inklusive "Bring It On:In It to Win It" (2007), "The LXD:The Legion of Extraordinary Dancers" (2008) och "American Dreams" (2008). Hon medverkade också i musikvideorna till "Umbrella" av Rihanna och "Disturbia" av Rhianna.
2010 gjorde Pempengco sin regidebut med kortfilmen "The Other Side of the Mirror". Filmen visades på flera filmfestivaler, inklusive Sundance Film Festival och Toronto International Film Festival.
Förutom skådespelar- och regikarriären är Pempengco även dansare och sångerska. Hon har släppt två album, "Charice" (2008) och "Infinity" (2009). Hon har också turnerat världen över, uppträtt på konserter och festivaler.
Pempengco har de senaste åren gått över till en mer könsneutral bild och namn och identifierar sig nu som en transkvinna. Hon har berättat om sin erfarenhet som transperson och har blivit en förespråkare för HBTQ+ rättigheter.