Pattinson, oyunculuk kariyerine 2000'li yılların başında, Alman televizyon filmi *Ring of the Nibelungs* (2004) ve J.R.R. Tolkien'in BBC uyarlaması *The Hobbit* (2003) dahil olmak üzere çok sayıda film ve televizyon dizisinde rol alarak başladı. . Çığır açan rolü, 2005 yılında Stephenie Meyer'in *Alacakaranlık* adlı romanının film uyarlamasında Edward Cullen rolünü üstlenmesiyle geldi. Film kritik ve ticari bir başarı elde etti, dört devam filmi çekti ve Pattinson'ı herkesin tanıdığı bir isim haline getirdi.
*Alacakaranlık* serisi sona erdiğinden beri Pattinson bir dizi bağımsız filmde rol aldı; bunlar arasında *Beni Hatırla* (2010), *Filler için Su* (2011), *Cosmopolis* (2012), *Yıldızların Haritaları* ( 2014) ve *İyi Zamanlar* (2017). Ayrıca *Harry Potter ve Ateş Kadehi* (2005), *Yeni Ay* (2009), *Tutulma* (2010), *Şafak Vakti - Bölüm 1* (2011) gibi birçok büyük bütçeli filmde rol aldı. ) ve *Şafak Vakti - Bölüm 2* (2012).
Pattinson, oyunculuk kariyerinin yanı sıra aynı zamanda müzisyen ve yapımcıdır. *Alacakaranlık:Orijinal Sinema Filmi Müziği* (2008) ve *Life and Times* (2011) adlı iki albüm çıkardı ve çok sayıda kısa film ve müzik videosunun yapımcılığını üstlendi.
Pattinson, *Time* dergisi tarafından "Dünyanın En Etkili 100 Kişisi" arasında ve *People* dergisi tarafından "Dünyanın En Güzel 50 İnsanı" arasında gösterildi. Ayrıca oyunculuğuyla, En İyi Erkek Performansı dalında MTV Film Ödülü ve En İyi Film Erkek Oyuncusu:Romantizm dalında Gençlerin Seçimi Ödülü de dahil olmak üzere çok sayıda ödül kazandı.