W połowie 2009 roku Pattinson został romantycznie powiązany z partnerką z planu Zmierzchu, Kristen Stewart. W lipcu 2012 roku Stewart publicznie potwierdziła swój związek z Pattinsonem, gdy sfotografowano ją z reżyserem filmu Królewna Śnieżka i Łowca, Rupertem Sandersem, z którym miała romans. Sanders, który był wówczas żonaty, publicznie przeprosił za ten romans, a niedługo potem to samo zrobiła Stewart. Pattinson i Stewart rozstali się na krótko, ale pogodzili się pod koniec tego samego roku. Para ostatecznie rozstała się w maju 2013 roku. W wrześniu 2014 roku Pattinson zaczął spotykać się z piosenkarką i autorką tekstów FKA Twigs. Para zaręczyła się, ale zakończyła swój związek w październiku 2017 roku. Rozstanie to zainspirowało Twigs do stworzenia jej drugiego albumu studyjnego, Magdalene (2019).
Od 2018 roku Pattinson jest w związku z angielską piosenkarką, autorką tekstów i aktorką Suki Waterhouse. Para zaręczyła się w grudniu 2023 roku, a w marcu 2024 roku na świat przyszła ich córka.
Filmografia thumb|Pattinson (2012) Rok Film Rola Uwagi 2004 Vanity Fair.