Pempengco's grote doorbraak kwam in 2006, toen ze werd gecast in de rol van "Nora Clark" in de dansfilm "Step Up". De film was een commercieel succes en bracht wereldwijd meer dan $ 114 miljoen op. Pempengco's optreden in de film kreeg lovende kritieken en ze werd genomineerd voor een MTV Movie Award voor "Best Breakthrough Performance".
Na het succes van "Step Up" speelde Pempengco in verschillende andere films en televisieshows, waaronder "Bring It On:In It to Win It" (2007), "The LXD:The Legion of Extraordinary Dancers" (2008) en "Amerikaanse dromen" (2008). Ze verscheen ook in de muziekvideo's voor "Umbrella" van Rihanna en "Disturbia" van Rhianna.
In 2010 maakte Pempengco haar regiedebuut met de korte film "The Other Side of the Mirror". De film werd vertoond op verschillende filmfestivals, waaronder het Sundance Film Festival en het Toronto International Film Festival.
Naast haar acteer- en regiecarrière is Pempengco ook danseres en zangeres. Ze heeft twee albums uitgebracht, "Charice" (2008) en "Infinity" (2009). Ze toerde ook de wereld rond en trad op tijdens concerten en festivals.
De afgelopen jaren is Pempengco overgegaan op een meer genderneutraal imago en naam, en identificeert ze zich nu als transgendervrouw. Ze heeft zich uitgesproken over haar ervaringen als transgender en is een pleitbezorger geworden voor LGBTQ+-rechten.