Pattinson aloitti näyttelijänuransa 2000-luvun alussa rooleilla useissa elokuvissa ja televisiosarjoissa, mukaan lukien saksalainen televisioelokuva Ring of the Nibelungs* (2004) ja BBC:n sovitus J. R. R. Tolkienin romaanista *Hobitti* (2003). . Hänen läpimurtoroolinsa tuli vuonna 2005, kun hänet valittiin Edward Culleniin Stephenie Meyerin romaanin *Twilight* elokuvasovituksessa. Elokuva oli kriittinen ja kaupallinen menestys, sillä se poiki neljä jatko-osaa ja teki Pattinsonista tutun nimen.
*Twilight*-sarjan päättymisen jälkeen Pattinson on näytellyt useissa riippumattomissa elokuvissa, mukaan lukien *Muista minut* (2010), *Water for Elephants* (2011), *Cosmopolis* (2012), *Maps to the Stars* ( 2014) ja *Hyvää aikaa* (2017). Hän on esiintynyt myös useissa suuren budjetin elokuvissa, kuten *Harry Potter and the Goblet of Fire* (2005), *New Moon* (2009), *Eclipse* (2010), *Breaking Dawn - Osa 1* (2011). ), ja *Breaking Dawn - Osa 2* (2012).
Näyttelijäuransa lisäksi Pattinson on myös muusikko ja tuottaja. Hän on julkaissut kaksi albumia, *Twilight:Original Motion Picture Soundtrack* (2008) ja *Life and Times* (2011), ja on tuottanut useita lyhytelokuvia ja musiikkivideoita.
*Time*-lehti on nimennyt Pattinsonin maailman 100 vaikutusvaltaisimman ihmisen joukkoon ja *People*-lehti on nimennyt Pattinsonin maailman 50 kauneimmaksi ihmiseksi. Hän on myös voittanut lukuisia palkintoja näyttelemisestä, mukaan lukien MTV Movie Award parhaan miessuorituksen ja Teen Choice -palkinnon Choice Movie Actor:Romance -elokuvanäyttelijälle.