În 1973, a fost semnat ca agent liber nedeclarat de către Dallas Cowboys și a intrat în echipă ca receptor al treilea, datorită jocului său în echipele speciale. Ca începător, l-a înlocuit pe Otto Stowe după ce Stowe a suferit o fractură de gleznă în al șaptelea meci al sezonului împotriva celor de la Philadelphia Eagles, iar rezerva sa, Mike Montgomery, avea să cadă și el accidentat în meciul următor. El a apărut în 14 meciuri cu 6 titularizări, realizând 22 de recepții pentru 388 de yarzi și 2 eseuri.
În 1974, Stowe a cerut să fie tranzacționat și Pearson a devenit titular cu normă întreagă în fața lui Golden Richards. El a condus echipa cu 62 de recepții și 1.087 de yarzi, reușind în același timp să prindă și 2 eseuri. El va continua să conducă echipa la recepție până în 1978, când Tony Hill a preluat rolul numărul unu la recepție.
În 1979, el și Tony Hill – împreună cu Tony Dorsett – i-au ajutat pe Cowboys să devină prima echipă din istoria NFL care are doi receptori de 1.000 de yarzi și un alergător de 1.000 de yarzi, când a înregistrat 55 de recepții, 1.026 de yarzi și 8 eseuri. Pearson și Hill au devenit, de asemenea, primul tandem de receptori din istoria Cowboys care au înregistrat sezoane de 1.000 de yarzi primite în același an.
În 1980, a depășit recordul de recepții al clubului lui Bob Hayes și a fost ales de Cowboys drept candidatul lor pentru Omul anului în NFL. În meciul de campionat NFC din 1981 împotriva celor de la San Francisco 49ers, Pearson aproape că a făcut ca „The Catch” să devină irelevant atunci când, în ultimele momente ale meciului, a prins o pasă lungă de la Danny White care ar fi mers pentru un eseu și ar fi câștigat meciul pentru Cowboys dacă fundașul de la 49ers, Eric Wright, nu ar fi făcut un placaj cu o singură mână cu guler de cal, oprindu-l chiar în afara terenului de țintă (White a pierdut mingea la următoarea acțiune, păstrând astfel victoria celor de la 49ers și plasându-i în Super Bowl XVI).
În 1983, l-a depășit pe Hayes ca lider al francizei la numărul de metri primiți.
În martie 1984, Pearson a adormit în timp ce își conducea Dodge-ul Daytona, provocând un accident împotriva unui tractor cu remorcă parcat. Pearson a suferit o leziune la ficat care i-a pus capăt carierei în accident, iar fratele său Carey a fost ucis în accident.
Pearson a ajutat echipa Cowboys la trei participări la Super Bowl și la o victorie în Super Bowl XII în 1978. El a marcat, de asemenea, un eseu în Super Bowl X. Pearson a fost cunoscut sub numele de „Mr. Clutch” pentru numeroasele sale capturi în situații de victorie, în special recepția „Hail Mary” de la Roger Staubach care a pecetluit victoria împotriva Vikings într-un meci de playoff din 1975, una dintre cele mai faimoase faze din istoria NFL. De asemenea, a prins touchdown-ul care a închis meciul într-un meci de playoff din 1973 împotriva Los Angeles Rams și pasa de touchdown câștigătoare de la fundașul de rezervă Clint Longley în meciul de Ziua Recunoștinței din 1974 împotriva celor de la Washington Redskins. Toate cele trei jocuri au fost numite printre cele mai bune 75 de jocuri din istoria NFL de către NFL Films în 1994. Pearson a jucat un rol important într-un al patrulea joc de pe acea listă, aruncând blocajul final pentru a-i elibera calea lui Tony Dorsett spre zona de finiș la cursa sa de 99 de yarzi pentru eseu în 1983. În plus, în meciul din playoff-ul din 1980 de la Atlanta, recepțiile lui Pearson au ajutat la câștigarea acelui meci într-o revenire a celor de la Cowboys.
A crescut pentru a deveni unul dintre cei mai mari receptori din NFL, obținând recorduri în carieră de 489 de recepții și 7.822 de yarzi de recepție, alături de 189 de yarzi de alergare, 155 de yarzi de întoarcere a loviturilor de picior și 50 de eseuri (48 de recepție și două recuperări de mingi). Pearson a fost numit unul dintre cei mai buni 20 de receptori din toate timpurile din Pro Football, el a fost, de asemenea, recunoscut pentru realizările sale fiind numit în echipa NFL 1970s All-Decade Team. În ciuda acestui fapt, el a fost singurul jucător din echipă care nu a fost introdus în Pro Football Hall of Fame la acea vreme, inclusiv singurul din categoria primei echipe ofensive.
Pearson a fost numit All-Pro de trei ori (1974, 1976-77) All-NFC în 1975 și a doua echipă All-NFC în 1978. În plus, Pearson a fost un Pro Bowler în 1974, 1976 și 1977. El a fost numit „The Football Digest NFL receiver of the year” în 1977. A fost liderul Conferinței Naționale de Fotbal (NFC) la recepții de pase în 1976, cu 58. A fost căpitan ofensiv pentru Cowboys în 1977, 1978, 1982 și 1983.
În 1984, a fost numit în echipa celei de-a 25-a aniversări a celor de la Dallas Cowboys.
În 2009, în emisiunea NFL Network „NFL’s Top 10”, în episodul intitulat „Greatest Dallas Cowboys”, el este numărul 10 pe listă, deși actualizarea din 2016 în care Drew nu a fost pe listă și a fost înlocuit de Randy White ca fiind tot numărul 10.
La 19 august 2011, proprietarul Cowboys, Jerry Jones, a anunțat că Pearson a fost selectat pentru a fi inclus în Dallas Cowboys Ring of Honor. Pearson, Charles Haley și Larry Allen au fost incluși în timpul spectacolului din pauza meciului Cowboys-Seahawks din 6 noiembrie 2011.
Asociația Cercetătorilor Profesioniști de Fotbal l-a numit pe Pearson în Hall of Very Good Class of 2010.
Pearson a fost numit ca finalist senior pentru Pro Football Hall of Fame în clasa 2020, ca parte a „Centenial Slate” de 20 de finaliști seniori. Cu toate acestea, el a fost la un pas de a fi inclus. În anul următor, el a fost numit singurul finalist senior pentru clasa din 2021.
La 6 februarie 2021, Pearson a fost numit în clasa 2021 a Pro Football Hall of Fame.
.