Pantilimon begann seine Karriere in der Jugend des Aerostar Bacău, von wo er im Jahr 2006 zum rumänischen Erstligisten FC Timișoara wechselte. Sein Debüt in der höchsten rumänischen Spielklasse gab er am 16. Dezember 2007 gegen den CFR Cluj. In der nächsten Saison wurde er zum Stammtorhüter, wobei er auch zum ersten Mal für die Nationalmannschaft Rumäniens einberufen wurde. Im Freundschaftsspiel gegen Georgien gab Pantilimon sein Debüt, als er zur Halbzeit für Bogdan Lobonț eingewechselt wurde. Rumänien gewann das Spiel 2:1. Seit September 2010 ist er Stammtorhüter der Nationalmannschaft und steht mit Ciprian Tătărușanu im Duell um die Nummer Eins.
Sein Debüt auf internationaler Ebene gab Pantilimon am ersten Spieltag des damaligen UEFA-Pokals 2008/09 im Hinspiel gegen Partizan Belgrad. In der Spielzeit 2010/11 wurde er mit seinem umänischen Team Vizemeister hinter Oțelul Galați.
Im August 2011 wurde Pantilimon für ein Jahr von dem englischen Top-Klub Manchester City ausgeliehen. Obwohl er nur ein einziges Ligapokalspiel bestritt, nutzte Manchester City bereits im Februar 2012 die Kaufoption von drei Millionen Pfund. Sein Vertrag läuft in Manchester bis zum Jahr 2016. Am 2. November 2013 gab er sein Ligadebüt für die Citizens. Aufgrund schwacher Leistungen von Stammtorhüter Joe Hart wurde Pantilimon vorübergehend zur Nummer 1 benannt, schaffte es aber nicht sich bei den Citizens endgültig durchzusetzen.
Im Sommer 2014 wechselte Pantilimon zu Ligakonkurrent AFC Sunderland. Dort löste er Anfang November 2014 Vito Mannone als Stammkraft im Tor ab. Am 19. Januar 2016 wechselte Pantilimon zum Aufsteiger FC Watford und steht dort als Nummer 1 im Tor.
Nationalmannschaft:
Im Freundschaftsspiel gegen Georgien gab Pantilimon sein Debüt, als er zur Halbzeit eingewechselt wurde. Rumänien gewann das Spiel damals mit 2:1. Seit September 2010 ist er Stammtorhüter der Nationalmannschaft und steht mit Ciprian Tătărușanu im Duell um die Nummer Eins im rumänischen Tor.