Pattinson začal svou hereckou kariéru na počátku 21. století rolemi v řadě filmů a televizních seriálů, včetně německého televizního filmu Prsten Nibelungů (2004) a adaptace románu J. R. R. Tolkiena Hobit (2003) pro BBC. . Jeho průlomová role přišla v roce 2005, kdy byl obsazen jako Edward Cullen ve filmové adaptaci románu Stephenie Meyerové *Twilight*. Film byl kritický a komerční úspěch, plodit čtyři pokračování a dělat Pattinson jméno domácnosti.
Od konce série *Twilight* si Pattinson zahrál v řadě nezávislých filmů, včetně *Pamatuj si mě* (2010), *Voda pro slony* (2011), *Cosmopolis* (2012), *Mapy ke hvězdám* ( 2014) a *Dobrý čas* (2017). Objevil se také v několika velkorozpočtových filmech, například *Harry Potter a Ohnivý pohár* (2005), *New Moon* (2009), *Eclipse* (2010), *Breaking Dawn - Part 1* (2011 ), a *Breaking Dawn – část 2* (2012).
Kromě své herecké kariéry je Pattinson také hudebníkem a producentem. Vydal dvě alba, *Twilight:Original Motion Picture Soundtrack* (2008) a *Life and Times* (2011), a produkoval několik krátkých filmů a hudebních videí.
Pattinson byl časopisem *Time* jmenován jedním ze „100 nejvlivnějších lidí světa“ a časopisem *People* jedním z „50 nejkrásnějších lidí světa“. Za svůj herecký výkon také získal řadu ocenění, včetně MTV Movie Award za nejlepší mužský herecký výkon a Teen Choice Award za Choice Movie Actor:Romance.