Pattinson begon zijn acteercarrière begin jaren 2000 met rollen in een aantal films en televisieseries, waaronder de Duitse televisiefilm *Ring of the Nibelungs* (2004) en de BBC-bewerking van de roman *The Hobbit* van J.R.R. Tolkien* (2003). . Zijn doorbraak kwam in 2005 toen hij werd gecast als Edward Cullen in de verfilming van Stephenie Meyers roman *Twilight*. De film was een kritisch en commercieel succes, bracht vier sequels voort en maakte van Pattinson een begrip.
Sinds het einde van de *Twilight*-serie speelde Pattinson in een aantal onafhankelijke films, waaronder *Remember Me* (2010), *Water for Elephants* (2011), *Cosmopolis* (2012), *Maps to the Stars* ( 2014) en *Goede tijd* (2017). Hij was ook te zien in verschillende films met een groot budget, zoals *Harry Potter and the Goblet of Fire* (2005), *New Moon* (2009), *Eclipse* (2010), *Breaking Dawn - Part 1* (2011). ), en *Breaking Dawn - Deel 2* (2012).
Naast zijn acteercarrière is Pattinson ook muzikant en producer. Hij heeft twee albums uitgebracht, *Twilight:Original Motion Picture Soundtrack* (2008) en *Life and Times* (2011), en heeft verschillende korte films en muziekvideo's geproduceerd.
Pattinson is door het tijdschrift *Time* uitgeroepen tot een van de "100 meest invloedrijke mensen ter wereld" en door het tijdschrift *People* tot een van de "50 mooiste mensen ter wereld". Hij heeft ook talloze prijzen gewonnen voor zijn acteerwerk, waaronder de MTV Movie Award voor beste mannelijke uitvoering en de Teen Choice Award voor Choice Movie Actor:Romance.