London Barnes negyedében született (1986.május.13). Anyja, Claire egy modellügynökségnek dolgozott, apja, Richard veterán autókat importált az USA-ból.Két idősebb nővére van, a három évvel idősebb Lizzy, aki énekesnő és dalszövegíró, valamint az öt évvel idősebb Victoria, aki reklámkészítéssel foglalkozott. Pattinson a Tower House School és a Harrodian School iskolákba járt, már hatévesen szerepelt iskolai színházi produkciókban.

15 évesen csatlakozott a Barnes Theatre Company színtársulathoz. Thornton Wilder Our Town című darabjában látta meg egy ügynök, így indult el filmes karrierje.

2008-ban és 2009-ben a People magazin a világ legszexisebb férfijai közé sorolta, 2010-ben pedig bekerült a People A világ legszebb emberei listájába is. 2009-ben a Glamour magazin felmérése szerint a világ legszexisebb férfijának választották az olvasók. A GQ magazin Nagy-Britannia legjobban öltözött férfijának nevezte. 18 millió dolláros gázsijának köszönhetően bekerült a legjobban fizetett hollywoodi színészek közé. 2010-ben a Time magazin a világ 100 legbefolyásosabb embere közé választotta.

Robert Pattinson viaszszobra a londoni és a New York-i Madame Tussauds-múzeumban is megtekinthető.

Pattinson jótékonysági eseményeken is részt vesz, 2009 decemberében egy aláírt gitárt ajánlott fel, 2010 januárjában pedig a haiti földrengés áldozatainak megsegítésére rendezett Hope for Haiti Now: A Global Benefit for Earthquake Relief című televíziós műsorban is részt vett, ahol a telefonos felajánlásokat hírességek fogadták

Pattinson 12 éves korában kezdett el modellkedéssel foglalkozni, de mindösszesen négy évet töltött a fényképezőgépek lencséje előtt, és a színész maga „sikertelennek” nevezte ilyen irányú törekvéseit. Ezt a sikertelenséget annak tulajdonította, hogy míg serdülőkorában csaknem lányos külsővel rendelkezett, ami akkoriban felkapott volt a modellügynökségek körében, férfiasabbá válása után már nem kapott többé munkát.

2007-ben Pattinson volt az arca a Hackett divatcég kampányának.
 

Első filmes szerepe a német A gyűrű átka című filmben volt, Giselher szerepében. 2004-ben a Hiúság vására című filmben is feltűnt, de jelenetét kivágták, csak a DVD változaton látható.

2005-ben megkapta Cedric Diggory szerepét a Harry Potter és a Tűz Serlege című filmben, alakításáért a The Times a „jövő brit sztárjának” nevezte.Több kritikus is az új Jude Lawként kezdte emlegetni.

2008-ban megkapta Edward Cullen szerepét az Alkonyat című filmben. 3000 ember közül választották ki Edward szerepére,bár Pattinson úgy nyilatkozott, hogy a meghallgatás során attól tartott, nem lesz képes azt a „tökéletességet” nyújtani, amit a szereplőtől elvártak. A két folytatásban, az Alkonyat – Újholdban és a 2010. június 30-án mozikba kerülő.Alkonyat – Napfogyatkozásban is ő alakítja a vámpír Edwardot.

2008-ban a Little Ashes című filmben Salvador Dalí katalán szürrealista festőművészt formálja meg. Szerepelt a How To Be és az Emlékezz rám című filmekben (utóbbinak producere is volt), valamint a The Summer House című rövidfilmben.

2009-ben Pattinson a 81. Oscar-gála egyik díjátadója volt.[34]

2009. november 10-én a Revolver Entertainment Robsessed címmel DVD-t jelentett meg, mely a színész életével és népszerűségével foglalkozik. 10 millió fontos keresetével a The Daily Telegraph a tíz legjobban kereső színész közé sorolta Pattinsont.

Pattinson Georges Duroy-t alakítja a Guy de Maupassant 1885-ös azonos című regénye alapján készülő, 2011-ben mozikba kerülő Bel Ami című filmben, melyet többek között Budapesten is forgattak. Ugyancsak 2011-re tervezik a Water for Elephants című film bemutatóját, melyben Christoph Waltz és Reese Witherspoon lesz a partnere

Pattinson gitározik és zongorázik, zeneszerzéssel is foglalkozik. Az Alkonyat című film zenéjében is közreműködött, a Never Think című dalt Sam Bradleyvel közösen írta és ő is énekli, valamint a Let Me Sign című dalt is ő énekelte fel a filmzenei albumra. Catherine Hardwicke a film egyik első vágásakor adta hozzá a dalokat a filmzenéhez Pattinson tudta nélkül, aki később beleegyezett, hogy a dalok szerepeljenek a filmben is, ne csak az albumon.

A How To Be című film zenei albumán három olyan dal van, amit Pattinson ad elő, mindhármat Joe Hastings írta.

Pattinson úgy nyilatkozott, hogy a a filmzenéken kívül sosem voltak más felvételei, de klubokban már korábban is fellépett. 2008-ban a Bad Girls nevű együttessel is fellépett

2004 - Hiúság vására (Vanity Fair) - idősebb Rawdy Crawley
2004 - A gyűrű átka (Ring of the Nibelungs) - Giselher
2005 - Harry Potter és a Tűz Serlege (Harry Potter and the Goblet of Fire) - Cedric Diggory
2006 - The Haunted Airman - Toby Jugg
2007 - The Bad Mother's Handbook - Daniel Gale
2008 - The Summer House - Richard
2008 - How to Be - Art
2008 - Alkonyat (Twilight) - Edward Cullen
2008 - Little Ashes - Salvador Dalí
2009 - Alkonyat – Újhold (The Twilight Saga: New Moon) - Edward Cullen
2010 - Emlékezz rám - Tyler Hawkins
2010 - Alkonyat – Napfogyatkozás (The Twilight Saga: Eclipse) - Edward Cullen
2011 - Bel Ami - Georges Duroy
2011 – Water for Elephants - Jakob Jankowski
2011/2012 - Alkonyat – Hajnalhasadás (The Twilight Saga: Breaking Dawn) - Edward Cullen