Pattinson začal svoju hereckú kariéru začiatkom roku 2000 úlohami v mnohých filmoch a televíznych seriáloch vrátane nemeckého televízneho filmu *Prsteň Nibelungov* (2004) a adaptácie románu J. R. R. Tolkiena *Hobit* (2003) pre BBC. . Jeho prelomová rola prišla v roku 2005, keď bol obsadený ako Edward Cullen vo filmovej adaptácii románu Stephenie Meyerovej *Twilight*. Film bol kritickým a komerčným úspechom, splodil štyri pokračovania a Pattinson sa stal známym.
Od konca série *Twilight* si Pattinson zahral v množstve nezávislých filmov vrátane *Pamätaj si ma* (2010), *Voda pre slony* (2011), *Cosmopolis* (2012), *Mapy ku hviezdam* ( 2014) a *Dobrý čas* (2017). Objavil sa aj v niekoľkých veľkorozpočtových filmoch, ako napríklad *Harry Potter and the Goblet of Fire* (2005), *New Moon* (2009), *Eclipse* (2010), *Breaking Dawn - Part 1* (2011 ), a *Breaking Dawn – časť 2* (2012).
Okrem hereckej kariéry je Pattinson aj hudobníkom a producentom. Vydal dva albumy, *Twilight:Original Motion Picture Soundtrack* (2008) a *Life and Times* (2011), a produkoval niekoľko krátkych filmov a hudobných videí.
Pattinson bol časopisom *Time* označený za jedného zo "100 najvplyvnejších ľudí sveta" a časopisom *People* za jedného z "50 najkrajších ľudí na svete". Za svoj herecký výkon získal aj množstvo ocenení, vrátane MTV Movie Award za najlepší mužský herecký výkon a Teen Choice Award za Choice Movie Actor:Romance.