En el 2010 apareció en la película Alicia en el país de las maravillas donde interpretó a Fiona Chataway; más tarde dio vida a Kirsten Schwarz en la película Hepzibah - Sie holt dich im Schlaf en donde trabajó junto al actor David Bamber bajo la dirección de Robert Sigl.

En el 2013 interpretó a Xenya en la película Educazione Siberiana de Gabriele Salvatores.

Ese mismo año apareció en la película Jack the Giant Slayer donde interpretó a la princesa Isabelle;[1]​ la cual fue dirigida por Bryan Singer.

Tomlinson también aparecerá en el videojuego de simulación espacial Squadron 42, interpretando a la agente Rebecca Trejo.

Es rubia natural, pero se tiñó el pelo de rojo para su papel en la serie Poldark porque pensó que le quedaba mejor a su personaje.