Następnie Pattinson zaczął występować w filmach niezależnych tworzonych przez reżyserów autorskich. Zyskał uznanie za swoje role w dramacie Davida Cronenberga Cosmopolis (2012), dramacie przygodowym Jamesa Graya (2016), dramacie kryminalnym braci Safdie Good Time (2017), dramacie science-fiction Claire Denis High Life (2018) oraz horrorze psychologicznym Roberta Eggersa Lighthouse (2019). W latach 2020. Pattinson powrócił do wielkobudżetowego kina głównego nurtu, grając główne role w filmach akcji Christophera Nolana Tenet (2020) i Odyseja (2026), filmie superbohaterskim Matta Reevesa Batman (2022) oraz nadchodzącej operze kosmicznej Denisa Villeneuve'a Diuna: Część trzecia (2026).
Pattinson udzielał się również wokalnie na kilku ścieżkach dźwiękowych do filmów. Angażuje się w działalność filantropijną, wspierając organizacje takie jak . Karierę modela rozpoczął jeszcze jako dziecko, a od 2013 roku jest twarzą zapachu Dior Homme. Określany przez media mianem symbolu seksu, regularnie trafia na listy najatrakcyjniejszych aktorów;