Pempengcos store gjennombrudd kom i 2006, da hun ble rollebesatt i rollen som «Nora Clark» i dansefilmen «Step Up». Filmen ble en kommersiell suksess, og samlet inn over 114 millioner dollar over hele verden. Pempengcos opptreden i filmen ble kritikerrost, og hun ble nominert til en MTV Movie Award for "Best Breakthrough Performance".
Etter suksessen med "Step Up" spilte Pempengco hovedrollen i flere andre filmer og TV-serier, inkludert "Bring It On:In It to Win It" (2007), "The LXD:The Legion of Extraordinary Dancers" (2008), og "American Dreams" (2008). Hun dukket også opp i musikkvideoene til "Umbrella" av Rihanna og "Disturbia" av Rhianna.
I 2010 debuterte Pempengco som regissør med kortfilmen «The Other Side of the Mirror». Filmen ble vist på flere filmfestivaler, inkludert Sundance Film Festival og Toronto International Film Festival.
I tillegg til skuespiller- og regikarrieren er Pempengco også danser og sanger. Hun har gitt ut to album, "Charice" (2008) og "Infinity" (2009). Hun har også turnert verden rundt, opptrådt på konserter og festivaler.
De siste årene har Pempengco gått over til et mer kjønnsnøytralt image og navn, og identifiserer seg nå som en transkjønnet kvinne. Hun har snakket ut om sin erfaring som transperson og har blitt en talsmann for LHBTQ+-rettigheter.