Un agente in cerca di giovani talenti lo nota e da quel momento comincia ad ottenere ruoli professionali.

Pattinson avvia la carriera cinematografica quasi immediatamente con ruoli legati al filone fantasy.

Si ispira a Jack Nicholson e si dedica anche alla musica suonando sia il pianoforte che la chitarra.

Il suo primo ruolo importante avviene nel 2004, che vede protagonista nel ruolo del Principe Giselher nel film per la TV fantastico diretto da Uli Edel La saga dei Nibelunghi, accanto a Max von Sydow un film tv dal grande successo di pubblico che ricalca la saga di Tolkien, sulla lotta tra il bene e il male in un mondo fantasy.

Sempre nel 2004 la regista indiana Mira Nair lo sceglie per il piccolo cameo finale nel ruolo di Rawdy Crawley nella pellicola La fiera delle vanità, tratto dal romanzo di William Makepeace Thackeray.

Interpreta il figlio della protagonista Becky Sharp, intrepretata da Reese Witherspoon.

Le scene in cui appare verranno poi eliminate nel montaggio finale, ma vengono incluse nella versione uscita in DVD.

Nel 2005 Mike Newell sceglie Robert Pattinson per interpretare Cedric Diggory nel quarto capitolo della saga di Harry Potter in Harry Potter e il calice di fuoco.

Grazie a questa interpretazione Robert viene inserito nella lista del Times Online come una delle stelle del futuro e viene definito addirittura il prossimo Jude Law.

Il ruolo lo premia con una notorietà di livello internazionale e nel giro di poco tempo diventa un idolo delle ragazzine.

Alla carriera di attore accosta quella di modello, posando per diverse riviste in collezioni di alta moda e nel dicembre del 2006, Robert Pattinson prende parte alla campagna fotografica della collezione autunno inverno della nota azienda di moda inglese Hackett.

Nei due anni successivi si dedica alla televisione e nel 2006 Robert Pattinson ottiene il ruolo del protagonista principale accanto a Julian Sands nel film tv The Haunted Airman, diretto da Chris Durlacher.

In onda sulla BBC inglese in lingua originale e la storia è tratta dal romanzo di Dennis Wheatley intitolato The Haunting of Toby Jugg.

Robert interpreta il ruolo di un giovane pilota della seconda guerra mondiale rimasto vittima di un abbattimento, nel quale perderà l'uso delle gambe.

Il regista inglese Robin Shepperd lo sceglie come co-protagonista nella produzione indipendente The Bad Mother's Handbook, dove interpreta Daniel Gale, un simpatico nerd.

Nel 2007 ancora nel film Harry Potter e l'Ordine della Fenice diretto stavolta da David Yates,  apparire solamente per pochi secondi in un flashback nei primi minuti del film e in una fotografia nei minuti successivi.

Sempre nel 2007, il regista inglese Robin Shepperd lo sceglie come co-protagonista nella produzione indipendente The Bad Mother's Handbook, dove interpreta Daniel Gale, un simpatico nerd.

Nel luglio viene scelto come protagonista di Twilight, diretto da Catherine Hardwicke, dove interpreta il ruolo del vampiro Edward Cullen.

Il film è il primo di una serie di quattro pellicole, tratte dai romanzi di Stephenie Meyer.

Nel 2008 Robert Pattinson viene ingaggiato come protagonista nel film indipendente How To Be, diretto da Oliver Irving.

La pellicola ha partecipato a diversi Festival internazionali del cinema, facendo infine vincere a Pattinsonil premio come miglior attore protagonista al Festival Internazionale del Cinema di Strasburgo.

L'uscita di How To Be in Italia è prevista per il 2009.

Nello stesso anno partecipa al lungometraggio indipendente diretto dall'inglese Daisy Gili, The Summer House.

Sempre nel 2008, interpreta Salvador Dalì in Little Ashes, un film diretto da Paul Morrison, che tratta della presunta amicizia-love story del pittore con il poeta Federico Garcia Lorca e che uscirà nelle sale italiane nel corso del 2009.

Robert Pattinson è stato ingaggiato per il secondo episodio della saga di Twilight, New Moon diretto da Chris Weitz, previsto per il novembre 2009.

Il 25 marzo 2009 la Summit Entertainment, casa di produzione di Twilight ingaggia Robert Pattinson per un nuovo progetto cinematografico che si intitolerà Remember Me e sarà diretto da Allen Coulter già regista di famose serie TV.
Remember Me è basato su una sceneggiatura originale di Will Fetters ripresa da Jenny Lumet.

La pellicola che vedrà protagonista Pattinson tratta l'amore tra due ragazzi messo in pericolo da alcune tragedie familiari.

Sempre nel corso del 2010, Pattinson dovrebbe prendere parte ad un film tratto dal romanzo di Guy de Maupassant intitolato Bel Ami.

Robert Pattinson è un eccellente pianista e chitarrista e ha un gruppo musicale che si chiama Bad Girls.
Pattinson ha scritto diverse canzoni, due delle quali sono entrate a far parte della colonna sonora ufficiale di Twilight come Never Think e Let me sign.

Nella versione CD della colonna sonora ufficiale del film, è presente solo la traccia di Never Think, mentre durante il film, viene inserita anche la traccia Let me sign.

La regista gli propone di comporre lui stesso il pezzo intitolato Bella's Lullaby al pianoforte che sarebbe poi stato incluso nella colonna sonora del film.

Il progetto è alla fine accantonato e la ninna nanna di Bella sarà infine composta dal musicista Carter Burwell.