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.Pattinson begann seine Schauspielkarriere im Alter von 15 Jahren und schloss 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 der Times 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 Morgengrauen von Stephenie Meyer ernannt, die am 21. November 2008 in den USA angelaufen ist. Robert Pattinson hat für den Film zudem zwei Lieder namens „Never Think“ und „Let Me Sign“ aufgenommen.
Am 22. November 2008 wurde bekannt, dass das zweite Buch der Serie (deutscher Titel: Bis(s) zur Mittagsstunde) ebenfalls verfilmt und Pattinson erneut Edward Cullen spielen wird. Er habe bisher für alle drei Verfilmungen unterschrieben, sagte er in einem Interview.