En mayo de 2005 fue contratado para aparecer en el estreno de The woman before en el Reino Unido, pero fue despedido poco antes de la apertura de la noche y fue sustituido por Tom Riley. A finales de ese mismo año, interpretó a Cedric Diggory en la película Harry Potter y el cáliz de fuego. Como consecuencia, fue nombrado "British Star of Tomorrow (Estrella Británica del futuro)" por el periódico Times Online, e incluso más de una vez ha sido promocionado como el nuevo Jude Law. Apareció en la campaña publicitaria de la temporada otoño 2007 de la marca Hackett. En ese mismo año, se anunció que Robert interpretaría a Edward Cullen en Crepúsculo, una película basada en el best-seller homónimo de Stephenie Meyer. Aunque no hizo una audición en persona para el personaje de Edward Cullen, envió una cinta seis meses antes del rodaje de la película por que estaba en Londres, pero según él era terrible, por lo que jamás se atrevió a enviarla. Pero los productores no habían escogido a nadie que interpretara a Edward Cullen (él fue el último en hacer la audición) pero la directora Catherine Hardwicke quería a Pattinson ya que según ella fue el único que realmente tuvo una química con Kristen Stewart y que supo interpretar el papel.  La directora le comunicó que él interpretaría al personaje en el hospedaje en casa de su agente, ya que no tenía dinero para pagarse uno propio.En enero de 2009 iba a grabar una película llamada Parts per billion, pero finalmente no la hizo por falta de tiempo. En noviembre del mismo año se estrenó enEstados Unidos la segunda parte de Crepúsculo, titulada The Twilight Saga: New Moon, continuando con el personaje de Edward Cullen. En marzo de 2010, se estrenó la película romántica Remember Me, que protagoniza junto a Emilie de Ravin y Pierce Brosnan. En junio-julio de 2010, se estrenó la película The Twilight Saga: Eclipse, la tercera parte de Crepúsculo.