Pattinson wurde 1986 im Londoner Stadtteil Barnes geboren. In seiner Kindheit arbeitete seine Mutter Clare in einer Modelagentur, sein Vater Richard ist Gebrauchtwagenhändler. Er hat zwei ältere Schwestern. Schwester Lizzy Pattinson ist Sängerin und Songschreiberin.
Pattinson begann seine Schauspielkarriere im Alter von 15 Jahren, er arbeitete in einem Theater hinter den Kulissen. Als dann der Hauptdarsteller erkrankte übernahm er die Rolle. Zufällig saß ein Agent im Publikum. Daher schloss er sich der Barnes Theatre Company in West London an. Im Fernsehfilm Die Nibelungen – Der Fluch des Drachen hatte er 2004 eine Nebenrolle als Giselher. Im selben Jahr spielte er eine kleine Rolle in Mira Nairs Literaturverfilmung Vanity Fair, die Szenen wurden jedoch in der Endfassung herausgeschnitten.
2005 übernahm er die Rolle des Cedric Diggory in Harry Potter und der Feuerkelch und wurde so einem größeren Publikum bekannt. Die Online-Version derTimes erklärte ihn daraufhin zum British Star of Tomorrow (dt.: Britischen Star von morgen).
Im Oktober 2006 spielte er die Hauptrolle in dem englischen Fernsehfilm The Haunted Airman.
Am 11. Dezember 2007 wurde Pattinson zur offiziellen Besetzung der männlichen Hauptrolle Edward Cullen in der Verfilmung des Romans Bis(s) zum Morgengrauenvon Stephenie Meyer ernannt, die am 21. November 2008 in den USA angelaufen ist. Es wurden zudem zwei von ihm aufgenommene Lieder; "Never Think" und "Let Me Sign" in den Film aufgenommen.
Am 22. November 2008 wurde bekannt, dass das zweite Buch der Serie ebenfalls verfilmt wird. Die anschließende Verfilmung des dritten Buches wurde am 20. Februar 2009 bestätigt. Pattinson wird in beiden Produktionen erneut Edward Cullen spielen.
In Little Ashes wird Pattinson ab Sommer 2009 als der Maler Salvador Dalí zu sehen sein. Weitere Hauptrollen hat er in der britischen Drama-Komödie How To Be (alsArthur) und dem Kurzfilm The Summer House (alsRichard) übernommen.
Wie im Februar 2009 bekannt wurde, soll Pattinson demnächst zusammen mit Justin Timberlake und Zac Efron in "Ohio" vor der Kamera stehen, welcher die Morde an Vietnamkriegsgegnern in den 70er Jahren der USA thematisiert.
2010 wird Pattinson in einer noch ungenannten Theaterproduktion des Produzenten David Pugh mitwirken.
