Robert Pattinson est né le 13 mai 1986 à Londres en Angleterre. Sa mère Clare travaillait pour une agence de mannequinat et son père Richard était importateur de voitures de collection aux États-Unis. Pattinson a aussi deux sœurs plus âgées : Elizabeth (chanteuse du groupe Aurora) et Victoria, 27 ans, qui travaille dans une agence de publicité.
Il a fait ses études à l'école d'Harrodian de Barnes (sud-ouest de Londres)4, qui se situe dans le faubourg Richmond-Upon-Thames où il vécut. À l'âge de 12 ans, il intègre une école privée mixte, la Harrodian School, qui n'accueille que 65 élèves pour 12 enseignants.
C'est à cette époque qu'il tente le mannequinat, grâce à sa mère, Clare, qui lui ouvre les portes de la mode. S'il obtient sa première expérience de mannequin à 12 ans, il ne démarre vraiment qu'à 16 ans. Il explique lors d'une interview en décembre 2008 : « Quand j'ai commencé ma carrière de mannequin, j'étais plutôt grand et j'avais l'air d'une fille, alors j'ai eu pas mal de boulots parce que à l'époque le look androgyne était vraiment à la mode. Ensuite je suppose que je suis devenu trop masculin et je n'ai plus eu aucune offre. J'ai eu la pire carrière de mannequin ! ». Il se tourne vers la comédie qui l'intéresse davantage.
Son intérêt pour le théâtre grandit avec la découverte de la Barnes Theatre Company, une troupe de théâtre de son quartier de Barnes où il s'inscrit avec l'accord de son père. Après quelques expériences en coulisses, il obtient quelques rôles et finit par attirer l'attention d'un agent pour la production d'une adaptation télévisée de Tess d'Urberville ; dès lors, il se met à chercher des rôles professionnels. Il joue dans une version amateur de Macbeth au Old Sorting Office Arts Centre.
Repéré par un agent, Robert Pattinson décroche un rôle dans L'Anneau sacré en 2004, petit téléfilm anglais, où il interprète en 2004 le rôle de Giselher, puis dans The Vanity Fair en 2004 de Mira Nair où il interprète le rôle du fils du personnage de Becky Sharp. Malheureusement, les scènes où Pattinson apparaît sont coupées au montage et seulement disponibles sur les bonus du DVD.
En mai 2005, il doit apparaître dans la première anglaise de The Woman Before au Royal Court Theatre, mais est renvoyé peu avant la soirée de première et remplacé par Tom Riley.
Grâce à son apparition dans Vanity Fair, Robert décroche le rôle de Cédric Diggory dans Harry Potter et la coupe de feu en 2005. Ce rôle lui vaut d'être qualifié de « Star anglaise de demain » délivré par le Times Online. Il est ainsi présenté par plusieurs critiques comme le futur Jude Law.
En 2008, il obtient le rôle d’Edward Cullen dans le premier volet de la saga Twilight, adaptation cinématographique du livre de Stephenie Meyer Fascination, qui sort le 21 novembre 2008 aux États-Unis.
Robert Pattinson est appelé sur un projet nommé Parts Per Billion, avec ce qu'il décrit comme : « un des scripts les plus lyriques que j'ai jamais lus dans ma vie ». Mais il renonce à Parts Per Billion car le tournage de Twilight, chapitre II : Tentation a lieu à la même période. Il est élu parmi les « hommes les plus sexys » en 2008 par People Magazine.
Il se voit aussi proposer plusieurs rôles principaux comme par exemple celui de Salvador Dalí dans le film Little Ashes (2009), ainsi que celui d'Arthur dans How to Be, une comédie anglaise indépendante. Il apparaît également dans un court métrage intitulé The Summerhouse. En 2009, il joue le rôle de Tyler aux côtés d'Émilie de Ravin dans Remember Me, un drame romantique sorti en 2010. Il reprend le rôle d'Edward Cullen dans le troisième volet de Twilight, chapitre III : Hésitation puis dans l'épisode suivant, Twilight, chapitre IV : Révélation, tout en participant au tournage du film Bel-Ami, adaptation libre de l'œuvre de Guy de Maupassant dans laquelle il joue aux côtés de Kristin Scott-Thomas et Uma Thurman. Aux côtés de Reese Witherspoon et de Christoph Waltz, il joue en 2011 le personnage principal du film De l'eau pour les éléphants, adapté du livre éponyme. Pattinson y tient le rôle de Jacob Jankovski, qui se prend de passion et se met à suivre une troupe de cirque nommée « The Benzini Brothers Most Spectacular Show on Earth ».
En 2012, Pattinson joue Eric Packer, un milliardaire bloqué dans les rues de New-York en attendant de pouvoir se faire couper les cheveux dans l'adaptation cinématographique du livre de Don DeLillo , Cosmopolis par David Cronenberg. Le film fit partie de la sélection officielle du prestigieux Festival de Cannes en 2012. Des rumeurs ont longtemps couru à propos d'une relation entre lui et Kristen Stewart, sa partenaire dans la saga Twilight, mais les deux acteurs ont longtemps soit refusé de les commenter soit entretenu le doute. Cette liaison a finalement été publiquement confirmée par Kristen Stewart lorsque, en juillet 2012, le magazine Us Weekly (en) annonce une liaison entre l'actrice et le réalisateur Rupert Sanders avec lequel elle a tourné le film Blanche-Neige et le Chasseur, poussant alors Kristen Stewart à confirmer publiquement l'information et à annoncer la regretter vis à vis de Robert Pattinson.

Ah... Mon moment tant favoris. Le caractère, c'est la partie la plus "cool", si je puis m'exprimer ainsi. Robert Pattinson, la star du moment, a un caractère bien à lui. Quelques fois fort et souvent doux, nous pouvons dire qu'il est lunatique mais rassurez-vous, loin d'être méchant, au contraire. Sa gentillesse fait chavirer les coeurs. Les jeunes femmes se disent toutes : « Ah lui, c'est l'homme parfait ! ». Bref, il a une grande côte de popularité. Sa douceur, elle, provoque les yeux en larmes de tout le monde mais larmes de joie, bien entendu. Les caresses, y sait y faire tout comme les bisous, qui sont à dire vrai, excellents. C'est des apéritifs cuisinés avec le coeur.
Si vous le voulez bien, voyez deux de ses défauts. Le jeune homme peut être assez provocateur quand il voit qu'un ami est en danger. Le défi et lui ça ne fait qu'un. Presque à chaque fois, c'est le gagnant. Mais bon, que voulez-vous que je vous dise, c'est la vie... Robert a également un côté réservé quand il ne connaît pas bien les personnes. Vous ne me croyez pas, si ? Vous devez car je ne mens pas. Après tout, tout le monde cache un petit défaut même si il ne se voit pas.