Comenzó su carrera como actor en series de la TV británica y, tras audicionar para el talent-show The X Factor y ser aceptado, se le sugirió que formase parte de un grupo llamado One Direction junto con Harry Styles, Zayn Malik, Liam Payne y Niall Horan. Los cinco llegaron a la final del programa quedando en el tercer lugar, logrando un contrato discográfico. Su primer álbum, 'Up All Night', debutó en la posición número uno del Billboard 200 y convirtió a One Direction en el primer grupo británico que alcanza el número uno con su primer disco en la historia de la lista. Le siguieron 'Take Me Home' (2012), 'Midnight Memories' (2013), 'Four' (2014), los tres nº1 en USA, y 'Made in the A.M.' (2015) con hits como 'What makes you beautiful', 'Live while we're young', 'Best song ever', 'Story of my life' y 'Drag me down'. Desde 2016 el grupo se encuentra en una pausa indefinida y Tomlinson se lanzó en solitario publicando una serie de singles como 'Just hold on' (con Steve Aoki), 'Back to you' (con Bebe Rxha y Digital Farm Animals' y 'Miss you'. En enero de 2020 apareció su álbum debut como solista: 'Walls'.