Pattinson színészi pályafutását a 2000-es évek elején kezdte számos filmben és televíziós sorozatban, köztük a *Nibelungok gyűrűje* című német televíziós filmben (2004) és a J. R. R. Tolkien-regény, *A hobbit* BBC-adaptációjában (2003). . Áttörő szerepét 2005-ben érte el, amikor megkapta Edward Cullen szerepét Stephenie Meyer *Twilight* című regényének filmadaptációjában. A film kritikai és kereskedelmi sikert aratott, négy folytatást szült, és Pattinson ismertté vált.
A *Twilight* sorozat vége óta Pattinson számos független filmben szerepelt, köztük a *Emlékezz rám* (2010), *Water for Elephants* (2011), *Cosmopolis* (2012), *Maps to the Stars* ( 2014), és a *Good Time* (2017). Számos nagy költségvetésű filmben is szerepelt, mint például a *Harry Potter és a tűz serlege* (2005), az *New Moon* (2009), az *Eclipse* (2010), a *Hajnalhasadás - 1. rész* (2011) ), és *Breaking Dawn – 2. rész* (2012).
Színészi karrierje mellett Pattinson zenész és producer is. Két albumot adott ki, a *Twilight:Original Motion Picture Soundtrack* (2008) és a *Life and Times* (2011), valamint számos rövidfilmet és zenei videót készített.
Pattinsont a *Time* magazin a "világ 100 legbefolyásosabb embere" közé sorolta, a *People* magazin pedig a "világ 50 legszebb embere" közé sorolta. Számos díjat is nyert színészi alakításáért, köztük a legjobb férfi alakításért járó MTV Movie Awardot és a Teen Choice Awardot a Choice Movie Actor:Romance kategóriában.