Robert Thomas Pattinson nasce a Londra il 13 maggio del 1986. Sua madre Clare lavorava per un’agenzia di modelli e suo padre Richard importava auto d’epoca dagli Stati Uniti. Ha frequentato la Harrodian Private School a Londra. Ha due sorelle: Lizzy, cantante inglese di medio successo, e Victoria Pattinson.
La sua carriera inizia come attore di teatro quando aveva 15 anni.
Il 17 dicembre del 2006, Robert Pattinson prende parte alla campagna fotografica della collezione autunno inverno della nota azienda di moda inglese Hackett.
Grazie alle sue esperienze teatrali, Robert riesce ad avviare la carriera cinematografica quasi immediatamente e con ruoli quasi sempre legati al filone fantasy.
Nel 2004, il suo primo ruolo importante lo vede protagonista nel ruolo del Principe Giselher nel film per la TV fantastico diretto da Uli Edel La saga dei Nibelunghi, accanto ad attori del calibro di Max von Sydow. Nello stesso anno, 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.
Nel 2005 Mike Newell lo sceglie per interpretare Cedric Diggory nel quarto capitolo della saga di Harry Potter in Harry Potter e il calice di fuoco.
Nel 2006, ottiene il ruolo del protagonista principale accanto a Julian Sands nel film tv The Haunted Airman, diretto da Chris Durlacher.
Nel 2007, viene accreditato nel film Harry Potter e l'Ordine della Fenice diretto stavolta da David Yates, dove però apparirà solamente per pochi secondi in un flashback nei primi minuti del film e in una fotografia nei minuti successivi.
Il 2008 è un anno carico di impegni per Robert: viene ingaggiato come protagonista nel film indipendente How To Be, diretto da Oliver Irving.
Nel luglio del 2007, viene scelto dopo un travagliato casting, come protagonista di Twilight, diretto da Catherine Hardwicke, dove interpreta il ruolo del vampiro Edward Cullen.
L'attore è stato ingaggiato per il secondo episodio della saga di Twilight, New Moon diretto da Chris Weitz. L'uscita della pellicola è prevista per il 20 novembre 2009.