Repéré par un agent, Robert Pattinson décroche un rôle dans L'Anneau sacré (2004), petit téléfilm anglais, où il y interprète en 2004 le rôle de Giselher, puis dans The Vanity Fair (2004) de Mira Nair où il interprète le rôle du fils du personnage de Becky Sharp. Malheureusement, les scènes où Pattinson apparaît sont coupées au montage et seulement disponibles sur les bonus du DVD.
 
En mai 2005, il doit apparaître à la première anglaise de The Woman Before au Royal Court Theatre, mais est renvoyé peu avant la soirée de première et remplacé par Tom Riley.
 
Grâce à ses apparitions dans The Vanity Fair, Robert décroche le rôle de Cédric Diggory dans Harry Potter et la coupe de feu en 2005. Ce rôle lui vaut le titre de 'Star Anglaise de Demain' délivré par le Times Online. Il est ainsi présenté par plusieurs critiques comme le futur Jude Law.
 
En 2008, il obtient le rôle d’Edward Cullen dans le premier volet de la saga Twilight, adaptation cinématographique du livre de Stephenie Meyer Fascination, sortie le 21 novembre 2008 aux États-Unis, avec Kristen Stewart (Bella).
 
Il est appelé sur un projet nommé Parts Per Billion, avec « un des scripts les plus lyriques que j'ai jamais lus dans ma vie ». Mais il renonce à Parts Per Billion car le tournage de Twilight, chapitre II : Tentation a lieu à la même période.
 
Il se voit aussi proposer plusieurs rôles principaux comme par exemple celui de Salvador Dalí dans le film Little Ashes (2009), ainsi que celui de Arthur dans How to Be, une comédie anglaise indépendante. Il apparaît également dans un court métrage intitulé The Summerhouse.
 
En 2009, il joue le rôle de Tyler aux côtés de Émilie de Ravin dans Remember Me, un drame romantique (sorti sur les écrans américains le 12 mars 2010 et le 7 avril 2010 en France)
En 2010, il interprète à nouveau son rôle d'Edward Cullen dans le troisième volet de Twilight, chapitre III : Hésitation et fait de même dans sa suite (Twilight, chapitre IV : Révélation) tout en participant au tournage du film Bel-Ami, adaptation libre de l'œuvre de Guy de Maupassant dans laquelle il joue aux côtés de Kristin Scott-Thomas et Uma Thurman.
 
Aux côtés de Reese Witherspoon et de Christoph Waltz, il joue en 2011 le personnage principal du film éponyme adapté du livre Water for Elephants. Pattinson y tient le rôle de Jacob Jankovski, qui se prend de passion et se met à suivre une troupe de cirque nommée « The Benzini Brothers Most Spectacular Show on Earth ». Puis il tourne dans un western, Unbound Captives.
 
Au cours de son éphémère carrière dans le mannequinat, Pattinson est apparu dans la campagne promotionnelle d'automne 2007 de Hackett.
 
Musicien également, deux de ses chansons sont présentes en musique de fond dans Twilight, chapitre I : Fascination, la première Never Think, lors de la scène au restaurant de Port Angeles (avec Bella) et Let Me Sign au moment où Edward empêche Bella de devenir vampire à Phoenix dans la salle de danse avant de la retrouver à l'hôpital avec Renée, la mère de Bella. Pattinson a commencé à prendre des cours de piano à l'âge de 3 ans et apprend la guitare classique à 5 ans. Il fait aussi partie d'un groupe appelé Bad Girls.