Ha debuttato sugli schermi internazionali con The Impossible. Prima di ottenere la parte di Lucas, Tom aveva interpretato Billy Elliot nell'omonimo musical di successo rappresentato al West End di Londra e diretto da Stephen Daldry.

Piu di recente, Holland ha dato voce al personaggio di Sho nel film d'animazione di Hiromasa Yonebayashi Arrietty - Il mondo segreto sotto il pavimento, e ha appena terminato di girare l'attesissimo adattamento cinematografico del romanzo di Meg Rosoff, How I Live Now, sotto la direzione di Kevin MacDonald. Al fianco di Saoirse Ronan, Tom interpreta il ruolo da protagonista di Isaac. Nel 2012 Tom e stato nominato una delle Star Internazionali del Futuro e dallo scorso agosto ha iniziato a frequentare la prestigiosa Brit School di Londra.

Dopo aver partecipato a Captain America: Civil War, in cui interpreta Peter Parker/SpiderMan, lo vedremo presto nel film di Jon Watts Spider-Man: Homecoming (2017).

Tra gli ultimi progetti cinematografici anche The Lost City of Z, con Charlie Hunnam, Sienna Miller e Robert Pattinson, e i film indipendenti Pilgrimage e Backcountry.
Holland ha debuttato nel mondo del cinema nel film drammatico acclamato dalla critica The Impossible, al fianco di Naomi Watts. La sua interpretazione nel ruolo del giovane ragazzo sopravvissuto al devastante tsunami del 2004 gli ha portato una serie di riconoscimenti, tra cui il London Film Critics Circle, il National Board of Review e l'Empire Award. In seguito è apparso nel film How I Live Now.
Ballerino oltre che attore, Holland è arrivato alla fama sul palcoscenico nello show di successo "Billy Elliot the Musical". Ha fatto il suo debutto nel West End londinese nel giugno del 2008, nel ruolo del migliore amico di Billy, Michael, prima di approdare al ruolo protagonista nel settembre dello stesso anno. Holland si alternava nel ruolo protagonista con altri due giovani attori, ma nel marzo del 2010 è stato scelto come protagonista assoluto nel corso del quinto anniversario in scena del musical. Ha terminato il suo impegno in "Billy Elliot the Musical" nel maggio del 2010.