Pattinson begyndte sin skuespillerkarriere i begyndelsen af 2000'erne med roller i en række film og tv-serier, herunder den tyske tv-film *Ring of the Nibelungs* (2004) og BBC-tilpasningen af J. R. R. Tolkiens roman *The Hobbit* (2003) . Hans gennembrudsrolle kom i 2005, da han blev castet som Edward Cullen i filmatiseringen af Stephenie Meyers roman *Twilight*. Filmen var en kritisk og kommerciel succes, og den affødte fire efterfølgere og gjorde Pattinson til et kendt navn.
Siden *Twilight*-serien sluttede, har Pattinson medvirket i en række uafhængige film, herunder *Remember Me* (2010), *Water for Elephants* (2011), *Cosmopolis* (2012), *Maps to the Stars* ( 2014) og *Good Time* (2017). Han har også medvirket i adskillige film med stort budget, såsom *Harry Potter and the Goblet of Fire* (2005), *New Moon* (2009), *Eclipse* (2010), *Breaking Dawn - Part 1* (2011) ), og *Breaking Dawn - Del 2* (2012).
Udover sin skuespillerkarriere er Pattinson også musiker og producer. Han har udgivet to albums, *Twilight:Original Motion Picture Soundtrack* (2008) og *Life and Times* (2011), og har produceret adskillige kortfilm og musikvideoer.
Pattinson er blevet kåret som en af de "100 mest indflydelsesrige mennesker i verden" af *Time* magazine og en af de "50 smukkeste mennesker i verden" af *People* magazine. Han har også vundet adskillige priser for sit skuespil, herunder MTV Movie Award for bedste mandlige præstation og Teen Choice Award for Choice Movie Actor:Romance.