W 2010 roku Pattinson zagrał Tylera Hawkinsa i był producentem wykonawczym dramatu obyczajowego Twój na zawsze (Remember Me). W tym samym roku ponownie wcielił się w postać wampira w filmie Saga „Zmierzch”: Zaćmienie (The Twilight Saga: Eclipse). W 2011 roku zagrał Jacoba Jankowskiego w Wodzie dla słoni (Water for Elephants), a także pojawił się w kolejnej odsłonie sagi – Saga „Zmierzch”: Przed świtem – część 1 (The Twilight Saga: Breaking Dawn – Part 1). Rok 2012 przyniósł rolę Georgesa Duroya w ekranizacji klasycznej powieści Bel-Ami oraz występ w docenionym przez krytyków filmie Cosmopolis. Swoją przygodę z kultową serią zakończył ostatecznie w filmie Saga „Zmierzch”: Przed świtem – część 2 (The Twilight Saga: Breaking Dawn – Part 2, 2012). lewo|mały|311x311px|Pattinson na Festiwalu Filmowym w Cannes w 2014 roku W 2014 roku aktor zaprezentował na Festiwalu Filmowym w Cannes dwa projekty: futurystyczny western Włóczęga (The Rover), w którym zagrał Reynoldsa, oraz satyryczny dramat Mapy gwiazd (Maps to the Stars), wcielając się w postać Jerome'a Fontany. W 2015 roku wystąpił jako T. E. Lawrence w biograficznym filmie Królowa pustyni (Queen of the Desert) u boku Nicole Kidman, a także zagrał fotografa Dennisa Stocka w dramacie Life (2015).