Przełom w karierze Pempengco nastąpił w 2006 roku, kiedy obsadzono ją w roli „Nory Clark” w filmie tanecznym „Step Up”. Film odniósł komercyjny sukces, zarabiając na całym świecie ponad 114 milionów dolarów. Rola Pempengco w filmie spotkała się z uznaniem krytyków, a ona była nominowana do nagrody MTV Movie Award w kategorii „Najlepszy przełomowy występ”.
Po sukcesie „Step Up” Pempengco zagrał w kilku innych filmach i programach telewizyjnych, w tym „Bring It On:In It to Win It” (2007), „The LXD:The Legion of Extraordinary Dancers” (2008) i „Amerykańskie sny” (2008). Wystąpiła także w teledyskach do „Umbrella” Rihanny i „Disturbia” Rhianny.
W 2010 roku Pempengco zadebiutowała jako reżyser filmem krótkometrażowym „The Other Side of the Mirror”. Film był pokazywany na kilku festiwalach filmowych, m.in. na Festiwalu Filmowym w Sundance i Międzynarodowym Festiwalu Filmowym w Toronto.
Oprócz kariery aktorskiej i reżyserskiej Pempengco jest także tancerką i piosenkarką. Wydała dwa albumy:„Charice” (2008) i „Infinity” (2009). Koncertowała także na całym świecie, występując na koncertach i festiwalach.
W ostatnich latach firma Pempengco przyjęła bardziej neutralny pod względem płci wizerunek i nazwę i obecnie identyfikuje się jako kobieta transpłciowa. Opowiedziała o swoich doświadczeniach jako osoby transpłciowej i stała się orędowniczką praw osób LGBTQ+.