Venu des planches, Robert Pattinson débute sa carrière au sein du Barnes Theatre Group. En 2003, il apparaît dans l'épique L'Anneau sacré tourné pour la télévision par Uli Edel, et côtoie notamment Max von Sydow, Samuel West, Benno Fürmann et Kristanna Loken. Après un petit rôle dans Vanity fair, la foire aux vanités de Mira Nair, Robert Pattinson est retenu pour se glisser dans la robe de Cédric Diggory, adversaire de Daniel Radcliffe dans le Tournoi des Trois Sorciers de Harry Potter et la coupe de feu, quatrième volet de la saga magique mis en scène par Mike Newell.

En 2009, le jeune acteur tient la vedette du film phénomène Twilight - Chapitre 1 : fascination, adapté du roman éponyme de Stephenie Meyer, dans lequel il incarne Edward Cullen, le vampire dont l'actrice Kristen Stewart tombe amoureuse. Le film connait un succès sans précédent auprès du public adolescent, et propulse Robert Pattinson sur le devant de la scène. Moins d'un an après le premier volet, et le phénomène qui l'a accompagné, le comédien se glisse à nouveau dans la peau du troublant vampire, pour les besoins de Twilight - Chapitre 2 : Tentation.

Parallèlement à la saga Twilight, Robert Pattinson joue le rôle d'un jeune homme à l'enfance difficile dans la comédie dramatique How to Be. En 2009, il interprète Salvador Dalí, le célèbre peintre catalan, dans Little Ashes, avant de tomber amoureux l'année d'après d'Emilie de Ravin dans Remember Me. L'année suivante, l'acteur prête à nouveau ses traits à Edward Cullen, dans Twilight - Chapitre 3 : hésitation, le troisième épisode de la fameuse saga vampirique, rôle culte qu'il reprendra dans les deux derniers volets de cette lucrative franchise, Twilight - Chapitre 4 : Révélation 1ère (2011) et 2e partie (2012).

Multipliant les têtes d'affiches, le jeune acteur varie également les genres et troque les vampires de Twilight contre le cirque du drame romantique De l'eau pour les éléphants (2011) aux côtés de Reese Witherspoon et Christoph Waltz. Il change ensuite radicalement de style en incarnant le millionnaire Eric Packer dans l'intriguant Cosmopolis (2012) de David Cronenberg, en compétition à Cannes, puis revient, la même année, à un rôle davantage en adéquation avec ses prestations précédentes, celui du journaliste séducteur Georges Duroy dans le drame Bel Ami (adapté du classique de Maupassant).

Sa rencontre avec David Cronenberg, qu'il retrouve dans le cynique Maps to the Stars en 2014, marque un tournant dans sa carrière. Loin de l'effervescence suscitée par Twilight, le comédien préfère s'illustrer dans des projets plus modestes ou plus pointus, à l'instar de son ex-partenaire, Kristen Stewart. Dans Life d'Anton Corbijn, il joue le photographe Dennis Stock, ami de James Dean, interprété par Dane DeHaan. Il tourne également sous la direction de David Michôd dans The Rover, un road-movie post-apo (2014), et retrouve le cinéaste australien en 2019 avec Le Roi, film en costumes consacré à Henri V.

Peroxydé dans l'électrique Good Time des frères Safdie, marin isolé au bord de la folie dans The Lighthouse de Robert Eggers, cobaye d'une mission spatiale dans le singulier High Life de Claire Denis, Robert Pattinson multiplie les performances dans des longs-métrages atypiques et expérimentaux.

Il n'en oublie pas pour autant de collaborer avec des réalisateurs de renom, tels que Werner Herzog (Queen Of The Desert), James Gray (The Lost City Of Z) et Christopher Nolan. Les années 2020 semblent amorcer le retour de l'acteur dans l'univers des blockbusters : après le très attendu Tenet, Robert est choisi pour se glisser dans le costume de l'homme chauve-souris dans The Batman. On le voit ensuite dans la fable SF Mickey 17 de Bong Joon Ho, puis côtoyer deux des actrices les plus demandées : Zendaya pour The Drama et Jennifer Lawrence pour Die My Love. Il retrouve aussi Nolan pour le très attendu L'Odyssée, enfile à nouveau le costume de Barman pour la suite du film de 2022 et campe le méchant de Dune 3 face à Timothée Chalamet.