Issue d'une famille du cinéma - fille d'un régisseur et producteur de la Fox et d'une scénariste - Kristen Stewart est remarquée par un agent lors du spectacle de Noël de son école. C'est donc, dès l'âge de huit ans, qu'elle auditionne pour le cinéma et la télévision. Elle joue d'abord un premier petit rôle dans une production de Disney Channel, mais c'est surtout deux ans plus tard, en 2001, qu'elle connaît son vrai premier rôle, celui d'une fille garçon manqué d'une mère célibataire à problèmes (Patricia Clarkson) dans The Safety of Objects. Les portes d'Hollywood s'ouvrent ensuite très vite à elle avec, en 2002, Panic room de David Fincher. Elle s'y fera connaître du grand public, en jouant, à la place d'Hayden Panettiere, la fille sombre et diabétique d'une mère divorcée, interprétée par Jodie Foster.

Après le succès de ce film, on retrouve l'adolescente dans La Gorge du diable aux côtés de Dennis Quaid et de Sharon Stone. La jeune Kristen, alors âgée de treize ans, ne compte pas se faire oublier du public de si tôt. C'est dans Speak de Jessica Sharzer, avec le rôle bouleversant d'une lycéenne, qui arrête de parler après avoir été violée, que sa performance est saluée par les critiques.

Après le rôle dans Les Messagers, puis dans In the Land of Women avec Meg Ryan et Adam Brody, Kristen Stewart interprète une chanteuse adolescente qui a un faible pour le jeune aventurier, Christopher McCandless, dans Into the Wild de Sean Penn, ainsi qu'un petit rôle dans Jumper. Fin 2007, c'est la consécration pour la comédienne, qui apprend qu'elle jouera dans l'adaptation du best seller de Stéphanie Meyer, Twilight - Chapitre 1 : fascination. C'est sur le tournage d'Adventureland que la réalisatrice Catherine Hardwicke vient lui faire passer un informel test d'écran : elle est séduite par la jeune femme qui interprètera alors Bella Swan, la petite amie du vampire Edward Cullen, joué par Robert Pattinson. Le film connaît un grand succès lors de sa sortie en novembre 2008 aux Etats-Unis avant de devenir un véritable phénomène planétaire.

Si Adventureland : un job d'été à éviter passe directement par la case "DVD" en France, ça n'est pas le cas de Twilight - Chapitre 2 : tentation, dans lequel la demoiselle retrouve Robert Pattinson et le rôle de Bella, devant la caméra de Chris Weitz cette fois-ci. Même si elle reprend le rôle qui l'a révélée au grand public avec l'adaptation du troisième volet du best-seller (Twilight - Chapitre 3 : hésitation), la jeune actrice tente de diversifier et d'enrichir sa filmographie de nouvelles prestations. Elle incarne notamment la chanteuse Joan Jett dans The Runaways et s'affiche dans le drame Welcome to the Rileys, où elle joue une prostituée de 16 ans aux côtés de James Gandolfini, avant de s'engager Sur la route de Jack Kerouac, pour enfin rempiler pour le dernier épisode de la saga Twilight qui est divisé en deux parties : Twilight - Chapitre 4 : Révélation 1ère partie et Twilight - Chapitre 4 : Révélation 2e partie.

Parallèlement, elle accepte de participer la même année au projet d'une réécriture "fantastique" du conte des frères Grimm, produit par Universal Pictures, en interprétant le rôle principal dans Blanche-Neige et le chasseur et où elle donne la réplique à Chris Hemsworth et Charlize Theron. Après cette grosse production, l'actrice revient à un cinéma davantage indépendant en incarnant notamment une jeune femme rejoignant l'armée dans The Guard de Peter Sattler. Mais surtout, Kristen Stewart se voit proposer de rejoindre le casting de Sils Maria d'Olivier Assayas pour un rôle initialement écrit au départ pour Mia Wasikowska. La jeune femme incarne Valentine, l'assistante personnelle d'une grande actrice de théâtre interprétée par Juliette Binoche. Les critiques sont unanimes pour saluer la performance de Kristen Stewart et cette dernière remporte même le César de la meilleure actrice dans un second rôle devenant ainsi la première Américaine à obtenir cette distinction.

Après son incursion dans le cinéma français, la comédienne retourne aux Etats-Unis et tourne dans le drame Still Alice du tandem Richard Glatzer et Wash Westmoreland où elle interprète la fille de Julianne Moore. Privilégiant le cinéma indépendant, on la retrouve au casting du réaliste Certaines Femmes de Kelly Reichardt, centré sur le parcours de quatre femmes aux Etats-Unis. Elle refait ensuite à nouveau équipe avec Olivier Assayas pour le thriller fantastique Personal Shopper et rejoint Woody Allen et son Café Society. En 2019, elle est à l'affiche du blockbuster d'action Charlie's Angels, où elle campe l'une des trois drôles de dames, en compagnie de Naomi Scott et Ella Balinska.