Robert Pattinson descubrió su amor por la música mucho antes de actuar y comenzó a aprender guitarra y piano a los cuatro años. Se convirtió en un gran cinéfilo por amor al cine de autor en su adolescencia temprana y prefería ver películas en lugar de hacer la tarea. En su adolescencia tardía y principios de los veinte, solía actuar en conciertos de guitarra acústica en solitario en noches de micrófono abierto en bares y pubs de Londres, donde cantaba sus propias canciones escritas. Pensando en convertirse en músico o ir a la universidad para estudiar redacción de discursos, nunca pensó en seguir una carrera como actor y su profesor de teatro en la escuela incluso le aconsejó que no se uniera al club de teatro porque pensaba que no estaba hecho para las materias creativas. Pero cuando era adolescente, se unió al club de teatro amateur local después de que lo convencieran de asistir porque era bastante tímido. A los 15 años y después de dos años trabajando detrás del escenario, audicionó para la obra 'Guys and Dolls' y obtuvo su primer papel como bailarín cubano sin líneas. Obtuvo el papel principal en la siguiente obra 'Our Town', fue descubierto por un agente de talentos que estaba sentado en el público y comenzó a buscar papeles profesionales.

Su primer papel en pantalla fue una pequeña parte en Vanity Fair (2004), pero fue cortado de la película final y no lo supo hasta que asistió al estreno. La directora de casting se sintió tan culpable por no decírselo que le consiguió la audición para Harry Potter and the Goblet of Fire (2005). Tuvo suerte y logró obtener el papel de Cedric Diggory, que lo llevó a una audiencia más amplia a los 19 años y continuó protagonizando principalmente producciones de televisión británicas más pequeñas. Hollywood expresó solo un interés leve en él y todavía debatía si deseaba o no seguir actuando. A lo largo de ese período, Pattinson ocasionalmente enviaba cintas de audición para papeles en Estados Unidos. Una, para una comedia romántica, llevó a la oportunidad de una audición en persona en Los Ángeles. Esa audición no funcionó, pero mientras estaba en la ciudad fue a otra, con la directora de Thirteen (2003), Catherine Hardwicke, para un papel en lo que entendió que era una película independiente basada en un libro de bajo perfil sobre un vampiro. Siendo el último de 3000 actores masculinos en audicionar para el papel, el papel de Edward Cullen en las adaptaciones cinematográficas de las novelas Twilight escritas por Stephenie Meyer lo llevó a un estrellato mundial inesperado a los 22 años y las cinco películas entre 2008 y 2012 recaudaron más de $3.3 mil millones en ingresos mundiales. Entre las películas de la Saga Twilight, también protagonizó Remember Me (2010), Water for Elephants (2011) y Bel Ami (2012).

La era Twilight de Pattinson fue surrealista. Había sido catapultado a la lista A de Hollywood como un ídolo, pero también experimentó ciertas ideas preconcebidas sobre lo que quería, o era capaz de hacer, como actor. Eso cambió con una oferta directa inesperada del director de autor David Cronenberg para protagonizar Cosmopolis (2012), que describió como una experiencia reveladora: le recordó su amor por el cine, por qué quería convertirse en actor en primer lugar y solidificó su deseo principal para los próximos años de trabajar con grandes cineastas. Siendo Pattinson un gran cinéfilo, desde entonces ha protagonizado principalmente películas independientes de respetados directores de autor, como The Rover (2014), Maps to the Stars (2014), Life (2015), Queen of the Desert (2015) y The Childhood of a Leader (2015). Su irreconocible papel como explorador en la selva amazónica en The Lost City of Z (2016) del director James Gray le valió muchos elogios de la crítica. Su transformación en un estafador sórdido y maníaco en el crudo thriller criminal Good Time (2017) le valió una ovación de pie de seis minutos en el Festival de Cine de Cannes y le trajo una nominación a Mejor Actor en los Independent Spirit Awards. Fue un paso importante para su transición a un actor de carácter con un rango increíble, y los críticos calificaron su actuación como una revelación y definitoria de su carrera. Protagonizó la comedia western Damsel (2018) como un vaquero con características sociopáticas y interpretó a un convicto enviado al espacio para experimentación sexual en el drama de misterio psicológico High Life (2018) del aclamado director de autor francés Claire Denis. Regresó a trabajar con el director David Michôd en The King (2019) y protagonizó la película de fantasía y terror en blanco y negro The Lighthouse (2019) del director Robert Eggers, que le valió su segunda nominación al Independent Spirit Award a Mejor Actor. En The Devil All the Time (2020) de Netflix, Pattinson interpretó a un predicador corrupto que se aprovecha de niñas jóvenes.

Regresó a las películas convencionales con un papel principal en la película de espías que juega con el tiempo de Christopher Nolan, Tenet (2020), y protagonizará como el superhéroe de DC Comics Batman en la película de Matt Reeves The Batman (2022).