Robert 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, Lizzy und Victoria Pattinson. 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. In dem deutschen 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. 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 spielte in beiden Produktionen erneut Edward Cullen.

In Little Ashes spielte Pattinson den Maler Salvador Dalí.Weitere Hauptrollen hat er in der britischen Drama-Komödie How To Be (als Arthur) und dem Kurzfilm The Summer House (als Richard) übernommen.

Ende Juli 2009 wurde Robert von der britischen Ausgabe der Zeitschrift Glamour zum „World’s Sexiest Man“ gewählt. Er sicherte sich den ersten Platz noch vor seinen Schauspielkollegen Johnny Depp und Hugh Jackman, welcher auf dem dritten Platz landete.

Im Juni 2009 drehte Pattinson den Film Remember Me, der Anfang 2010 in die Kinos kam und in dem er nicht nur als Hauptdarsteller auftrat, sondern auch als ausführender Produzent tätig war.

Seit Februar 2010 ist er mit Twilight-Filmpartnerin Kristen Stewart liiert.