De volta aos blockbusters, em 2020, protagonizou ?Tenet?, do diretor Christopher Nolan. Em 2022, foi escolhido para dar vida a Bruce Wayne, o Batman, um dos maiores super-heróis da DC, e estrelar o filme de mesmo nome do diretor Matt Reeves. Inicialmente, a escolha de Pattinson para o elenco foi muito criticada pelos fãs, mas, depois que o filme estreou, sua atuação foi muito elogiada.