Pempengcos store gennembrud kom i 2006, da hun blev castet i rollen som "Nora Clark" i dansefilmen "Step Up". Filmen var en kommerciel succes og indtjente over $114 millioner på verdensplan. Pempengcos præstation i filmen blev kritikerrost, og hun blev nomineret til en MTV Movie Award for "Bedste gennembrudspræstation".
Efter succesen med "Step Up" medvirkede Pempengco i flere andre film og tv-shows, herunder "Bring It On:In It to Win It" (2007), "The LXD:The Legion of Extraordinary Dancers" (2008) og "American Dreams" (2008). Hun optrådte også i musikvideoerne til "Umbrella" af Rihanna og "Disturbia" af Rhianna.
I 2010 fik Pempengco sin instruktørdebut med kortfilmen "The Other Side of the Mirror". Filmen blev vist på flere filmfestivaler, herunder Sundance Film Festival og Toronto International Film Festival.
Udover sin skuespiller- og instruktørkarriere er Pempengco også danser og sanger. Hun har udgivet to albums, "Charice" (2008) og "Infinity" (2009). Hun har også turneret verden rundt og optrådt ved koncerter og festivaler.
I de senere år er Pempengco gået over til et mere kønsneutralt image og navn og identificerer sig nu som en transkønnet kvinde. Hun har udtalt sig om sin erfaring som transkønnet og er blevet fortaler for LGBTQ+-rettigheder.