W roku 2020 Pattinson powrócił do wielkobudżetowych produkcji, gdy zagrał agenta Neila w filmie science-fiction Tenet w reżyserii Christophera Nolana. W tym samym roku wystąpił w thrillerze psychologicznym (The Devil All the Time), wcielając się w postać prowincjonalnego kaznodziei Prestona Teagardina. W maju 2021 roku aktor podpisał kontrakt na wyłączność z Warner Bros. i HBO na produkcję i rozwój projektów. W roku 2022 zagrał kultową postać Bruce'a Wayne'a w filmie Batman (The Batman) w reżyserii Matta Reevesa, zdobywając uznanie krytyków. W 2023 roku użyczył głosu szarej czapli w angielskojęzycznym dubbingu animacji Chłopiec i czapla (The Boy and the Heron), a pod szyldem swojej firmy produkcyjnej Icki Eneo Arlo wyprodukował film (Rotting in the Sun, 2023).
W 2025 roku Pattinson zachwycił podwójną rolą Mickeyego Barnesa w filmie science-fiction w reżyserii Bong Joon-ho, a także wystąpił u boku Jennifer Lawrence w thrillerze Zgiń kochanie (Die My Love) jako jej mąż Jackson. W 2026 roku zagrał wraz z Zendayą w czarnej komedii romantycznej Drama. W tym samym roku premierę miała jego ponowna współpraca z Nolanem przy epickim filmie Odyseja (The Odyssey), w którym zagrał Antinoosa.