Pod koniec 2015 roku pojawił się w podwójnej roli w filmie Dzieciństwo wodza (The Childhood of a Leader). Z kolei w 2016 roku zagrał kaprala Henry'ego Costina w biograficznym dramacie przygodowym (The Lost City of Z), na potrzeby którego drastycznie schudł i zapuścił gęstą brodę.
Przełomem artystycznym okazał się rok 2017, kiedy Pattinson wcielił się w postać Conniego Nikasa w neo-noir thrillerze Good Time, rola ta przyniosła mu zachwyty krytyków oraz nominację do nagrody Independent Spirit dla najlepszego aktora. W ramach promocji tego tytułu napisał scenariusz i zagrał samego siebie w filmie krótkometrażowym Fear & Shame (2017). W 2018 roku powrócił do komedii jako ekscentryczny kowboj Samuel Alabaster w westernie Damulka, a także zagrał Montego w dramacie science-fiction High Life. Rok 2019 przyniósł kolejny wielki sukces w postaci roli w czarno-białym horrorze psychologicznym Lighthouse, za którą otrzymał swoją drugą nominację do nagrody Independent Spirit dla najlepszego aktora. W tym samym roku zagrał również delfina Ludwika w dramacie historycznym Król (The King) oraz pojawił się w produkcji Czekając na barbarzyńców (Waiting for the Barbarians).