Tomlinson ha iniziato la sua carriera come attore, apparendo con un piccolo ruolo nella serie Fat Friends. Successivamente è apparso nel film drammatico di ITV If I Had You e in quello della BBC Waterloo Road. Nel 2010 partecipa a X Factor e diventa membro della pop band One Direction, terza classificata di quella edizizone e che è diventata un fenomeno internazionale con milioni di copie vendute, tour mondiali e due documentari: One Direction: This Is Us e One Direction - Where we Are.
Nel 2023 esce al cinema il documentario su di lui Louis Tomlinson - All of those Voices.