Acteur, producteur et mannequin, célèbre pour son rôle du vampire Edward Cullen dans la saga cinématographique Twilight. Il a aussi interprété Cédric Diggory dans le film Harry Potter et la Coupe de feu et il est présent dans les films De l'eau pour les éléphants, The Rover, et Maps to the Stars. En 2019, il est choisi pour incarner Batman dans le film Batman de 2022.
Durant sa scolarité, il entre à la prestigieuse Harrodian School de Barnes. Plus tard, il joue des rôles mineurs dans Guys and Dolls (un remake de la comédie musicale Blanches colombes et vilains messieurs) et Anything Goes.
Il incarne le peintre surréaliste Salvador Dalí dans le film Little Ashes de 2008.
Sa mère travaille dans une agence de publicité et son père importe des voitures de collection aux États-Unis. Sa sœur est la chanteuse Elizabeth Pattinson. Il entame une relation avec sa partenaire à l'écran Kristen Stewart pendant le tournage du film Twilight en 2008. Il se fiance avec la chanteuse FKA Twigs en avril 2015 mais ils se séparent en octobre 2017. Il commence à fréquenter la mannequin Suki Waterhouse en 2018.
Il joue aux côtés de Kristen Stewart et Taylor Lautner dans les films de la saga Twilight.