Robert Pattinson descobriu seu amor pela música muito antes de atuar e começou a aprender violão e piano aos quatro anos. Tornou-se um grande cinéfilo por amor ao cinema de autor no início da adolescência e preferia assistir a filmes em vez de fazer a lição de casa. No final da adolescência e início dos vinte anos, costumava se apresentar em shows solo de violão acústico em noites de microfone aberto em bares e pubs de Londres, onde cantava suas próprias composições. Pensando em se tornar músico ou ir para a universidade estudar redação, ele nunca pensou em seguir carreira de ator e sua professora de teatro na escola até o aconselhou a não entrar no clube de teatro porque ela achava que ele não era feito para as matérias criativas. Mas, adolescente, ele entrou para o clube de teatro amador local depois que seu pai o convenceu a participar porque ele era bastante tímido. Aos 15 anos e após dois anos trabalhando nos bastidores, ele fez o teste para a peça 'Guys and Dolls' e conseguiu seu primeiro papel como um dançarino cubano sem falas. Ele conseguiu o papel principal na peça seguinte 'Our Town', foi visto por um agente de talentos que estava sentado na plateia e começou a procurar papéis profissionais.

Seu primeiro papel na tela foi uma pequena participação em Vanity Fair (2004), mas ele foi cortado do filme final e não sabia disso até comparecer à estreia. A diretora de elenco se sentiu tão culpada por não ter contado a ele que conseguiu uma audição para ele em Harry Potter and the Goblet of Fire (2005). Ele teve sorte e conseguiu o papel de Cedric Diggory, que o trouxe para um público mais amplo aos 19 anos, e continuou a estrelar principalmente produções menores da TV britânica. Hollywood expressou apenas um interesse moderado por ele e ele ainda estava em dúvida se queria ou não seguir a atuação. Durante esse período, Pattinson ocasionalmente enviava fitas de audição para papéis na América. Uma, para uma comédia romântica, levou à oportunidade de uma audição presencial em Los Angeles. Essa audição não deu certo, mas enquanto estava na cidade ele foi para outra, com a diretora de Thirteen (2003), Catherine Hardwicke, para um papel no que ele entendeu ser um filme independente baseado em um livro de baixo perfil sobre um vampiro. Sendo o último de 3000 atores masculinos a fazer o teste para o papel, o papel de Edward Cullen nas adaptações cinematográficas dos romances Twilight escritos por Stephenie Meyer o levou a um estrelato mundial inesperado aos 22 anos, e os cinco filmes entre 2008 e 2012 arrecadaram mais de US$ 3,3 bilhões em receitas mundiais. Entre os filmes da Saga Twilight, ele também estrelou Remember Me (2010), Water for Elephants (2011) e Bel Ami (2012).

A era Twilight de Pattinson foi surreal. Ele foi catapultado para a lista A de Hollywood como um ídolo, mas também experimentou certos preconceitos sobre o que ele queria - ou era capaz de fazer - como ator. Isso mudou com uma oferta direta inesperada do diretor de autor David Cronenberg para estrelar Cosmopolis (2012), que ele descreveu como uma experiência reveladora: lembrou-o de seu amor pelo cinema, por que ele queria se tornar ator em primeiro lugar e solidificou seu desejo principal para os anos seguintes de trabalhar com grandes cineastas. Com Pattinson sendo um grande cinéfilo, desde então ele estrelou principalmente filmes independentes de respeitados diretores de autor, como The Rover (2014), Maps to the Stars (2014), Life (2015), Queen of the Desert (2015) e The Childhood of a Leader (2015). Seu papel irreconhecível como explorador na selva amazônica em The Lost City of Z (2016), do diretor James Gray, trouxe-lhe muitos elogios da crítica. Sua transformação em um vigarista sórdido e maníaco no thriller policial Good Time (2017) rendeu-lhe uma ovação de seis minutos no Festival de Cinema de Cannes e trouxe-lhe uma indicação de Melhor Ator no Independent Spirit Awards. Foi um grande passo para sua transição para um ator de caráter com uma variedade incrível, com críticos chamando sua atuação de revelação e definidora de carreira. Ele estrelou a comédia western Damsel (2018) como um cowboy com características sociopatas e interpretou um condenado enviado ao espaço para experimentação sexual no drama de mistério psicológico High Life (2018), do aclamado diretor francês Claire Denis. Ele voltou a trabalhar com o diretor David Michôd em The King (2019) e estrelou o filme de fantasia e terror em preto e branco The Lighthouse (2019), do diretor Robert Eggers, que lhe rendeu sua segunda indicação ao Independent Spirit Award de Melhor Ator. No filme da Netflix The Devil All the Time (2020), Pattinson interpretou um pregador corrupto que se aproveita de meninas jovens.

Ele retornou aos filmes mainstream com um papel principal no filme de espionagem que dobra o tempo de Christopher Nolan, Tenet (2020), e estrelará como o super-herói da DC Comics Batman no filme de Matt Reeves, The Batman (2022).