Santrafor mevkiinde oynayan ve futbola genç yaşta başlayan Mustafa Pektemek, okul takımıyla katıldığı bir turnuvada amatör takımlardan Topağaçspor'a transfer oldu. 1999'dan 2004'e kadar bu takımın altyapısında forma giydi. 2004'te yine yerel takımlardan AS Akyazıspor'a transfer oldu. Burada da bir sezon kaldıktan sonra Sakaryaspor altyapısına transfer oldu. 2006-07 sezonunda Sakaryaspor, PAF takımında forma giymeye başladı. 13 maçta 7 gol kaydetti.
2006-07 sezonunda PAF takımı performansı ile dikkat çekince Nejat Biyediç tarafından A takımında antremanlarına alındı ve Kasım 2006'da profesyonel sözleşme imzaladı. İlk Süper Lig karşılaşmasını 18 Kasım 2006 tarihinde Ankaragücü'ne karşı oynadı. Burada 4 maç forma giydi ve ikinci devre Sarıyer'e kiralandı.
Bank Asya 1. Lig'e düşen Sakaryaspor'a sezon sonu geri döndükden sonra A takımda kendine yer edindi ve bir sezonda 29 1. Lig karşılaşmasında forma giydi. Bu karşılaşmalarda 4 gol kaydetti. Süper Lig'e dönmek için play-off'lara kalsalar da penaltılarla elendiler.
2006-07 sezonunun ikinci yarısı Lig B takımı Sarıyer'e kiralandı. Burada genç yaşına rağmen birkaç hafta sonra takımın düzenli oyuncusu olmayı başardı ve 15 maçda 4 gol kaydetti.
2008-09 sezonunda Süper Lig'in köklü takımlarından Gençlerbirliği'ne transfer oldu. Gençlerbirliği'nde de adapdasyon sorunu yaşamadan takımın önemli oyuncuları arasına girmeyi başardı ve ilk sezonunda 27 Süper Lig müsabakasında 8 gol kaydetti.
Gençlerbirliği'ndeki ikinci sezonu olan 2009-10 sezonunda performansını daha da yükselterek 29 Süper Lig maçında 11 gol atmıştır.
2010-11 sezon öncesi oynanan TSYD Kupası karşılaşmasında ağır bir sakatlık geçirerek 6 ay sahalardan uzak kalaçağı bildirildi. Geçirdiği ağır sakatlık döneminde sonra ilk resmi karşılaşmasını 12 Şubat 2011 tarihinde İstanbul Büyükşehir Belediyespor'a karşı oynanan Süper Lig karşılaşmasında oynadı ve bu karşılaşmada 1-0 galibiyeti getiren golü kaydetti.
27 Mayıs 2011 tarihinde Gençlerbirliği'nden 4 milyon €+Ali Kuçik karşılığında Beşiktaş'a transfer olmuştur. İlk sezonunda lig maçlarında 35 maçta 8 gol 3 asist toplamda ise 44 maçta 9 gol atmış bu maçlarda 4 asist yapmıştır.
2012-13 sezonunun 2. maçı olan Beşiktaş-Galatasaray maçında sakatlanmış ve sahalardan 6 ay boyunca uzak kalacağı açıklanmıştır.
29 Şubat 2012 Çarşamba tarihinde Slovakya ile Bursa'da oynanan özel karşılaşmalarda ilk kez Türkiye A Milli Takımı formasını giydi. Slovakya maçının ardından Abdullah Avcı tarafından Milli takımın Slovakya kampına çağırılan Pektemek; Gürcistan, Finlandiya, Bulgaristan, Portekiz ve son olarak ise Ukrayna maçında forma giymiştir ve kampın son maçı olan Ukrayna maçında 1 gol atmış ve Caner Erkin'in golünde de asist yapmıştır.
