Kristen começou sua carreira ainda jovem, fazendo alguns trabalhos em séries de televisão após um caça talentos a viu em uma apresentação na escola em que frequentava. De lá pra cá, seus filmes que a impulsionaram na carreira foram Encontros do Destino (2001) e depois o filme hit com Jodie Foster, O Quarto do Pânico (2002), que lhe rendeu uma nomeação para Young Artist Award.

Celebrada por sua atuação em O Quarto do Pânico, Stewart seguiu seu trabalho em Garganta do Diabo (2003), onde interpretou a filha das personagens de Sharon Stone e Dennis Quaid. Apesar do filme não ter feito muito sucesso, a joven Stewart foi indicada mais uma vez para a premiação Young Artist Award. Depois disso ela fez mais algumas atuações como O Silêncio de Melinda (2004), Zathura: Uma Aventura no Espaço (2005), Doces Encontros (2007) e ainda Na Natureza Selvagem, lançado no mesmo anos que, mais uma vez lhe rendeu uma nomeação para o Young Artist Award e conseguiu levar para casa a estatueta.

Enfim, aos 17 anos Stewart conseguiu o papel de Bella Swan em Crespúculo (2008), primeiro livro da saga de Stephenie Meyer. Com isso ela também fechou o contrato para mais 4 filmes da saga, A Saga Crepúsculo: Lua Nova (2009), A Saga Crepúsculo: Eclipse (2010) e A Saga Crepúsculo: Amanhecer Parte I (2011) e II (2012). Além de ser exaltada por fãs dos livros, Stewart ainda recebeu o prêmio MTV de filme por Melhor Performance Feminina.

Mas mesmo tendo alcançado a fama com seu papel na saga de vampiros, Stewart se manteve fiel aos filmes indies como Férias Frustadas de Verão (2009) e Corações Perdidos (2010). Ela também topou o projeto de viver a cantora de Rock Joan Jett no filme The Runaways: Garotas do Rock (2010), ao lado de Dakota Fanning, atriz que contracenou nos filmes da saga Crepúsculo. A atriz recebeu aplausos por sua performance e números musicais que fez para o longa, lhe rendendo um Prêmio BAFTA de Artista Revelação e um de Melhor Atriz no Fetsival de Filme Internacional de Milão, ambos em 2010.

Stewart trabalhou em outros projetos como personagem principal A Branca de Neve e o Caçador (2012), o filme selecionado para o Festival de Cannes Na Estrada (2012), Marcados Pela Guerra (2014), Acima das Nuvens (2014). Já no restante da década de 2010, Stewart decidiu atuar como coadjuvante como em Para Sempre Alice (2014), American Ultra: Armados e Alucinados (2015), Café Society (2016) e A Longa Caminhada de Billy Lynn (2016). Já nos anos de 2016 e 2020, a atriz conseguiu papéis de personagens históricos como Lizzie (2018) e Seberg Contra Todos (2019), também atuando em filmes de ação como As Panteras (2019) e thrillers como Ameaça Profunda (2020).

Em 2020, Kristen teve uma mudança em seus papéis ao pegar uma personagens em Alguém Avisa? (2020), onde interpreta junto com Mackenzie Davis um casal lésbico. Em 2021 a atriz foi aclamada por críticos ao interpretar a Princesa Diana no filme Spencer (2021) de Pablo Larrain e já está em planos de atuar no thriller Crimes of the Future de David Cronenberg. A atriz também participou de uma série de curtas da Netflix chamada Feito em Casa, curtas com vários artistas sobre a pandemia da Covid-19. 

Além de atriz, Stewart se aventurou no ramo de direção com o curta-metragem Come Swim (2017) que apresentou no Festival Sundance, além de direcionar clipes musicais.