Inició su carrera como miembro de la boy band One Direction, a la cual fue incluido tras audicionar en The X Factor.

[2]​[4]​ Tras ello, lanzaron los álbumes Up All Night (2011), Take Me Home (2012), Midnight Memories (2013), Four (2014) y Made in the A.M.

También asistió a The Hayfield School, pero se retiró luego de no pasar su primer año en nivel avanzado.

Posterior a esto, trabajó en un local de cine y fue mesero en el Doncaster Rovers Football Club.

[2]​ Tras audicionar para The X Factor, la jueza Nicole Scherzinger sugirió que Louis formase parte de un grupo llamado One Direction junto con Harry Styles, Zayn Malik, Niall Horan y Liam Payne.

[13]​ También alcanzó el primer puesto en Australia, Canadá, los Estados Unidos, Irlanda y Nueva Zelanda.

[19]​[20]​[21]​[22]​ Los dos primeros sencillos de este disco, «Live While We're Young» y «Little Things», tuvieron una buena recepción.

[25]​ Por otra parte, juntos iniciaron su segunda gira Take Me Home Tour, que recorrió cuatro continentes de todo el mundo y además parte de ella fue grabada para su primera película documental dirigida por Morgan Spurlock, llamado This is Us.

[29]​ «Best Song Ever», el sencillo principal del álbum se convirtió en la canción más exitosa de One Direction en Estados Unidos.

[32]​[33]​ En febrero de 2015, la banda se embarcó en la gira On The Road Again, tocando en Australia, Asia, África, Europa y América del Norte.

[34]​ En noviembre de 2015, se lanzó su quinto álbum Made in the AM,[35]​ liderado por los sencillos «Drag Me Down» y «Perfect».

[40]​[41]​ En julio de 2017, Tomlinson lanzó el sencillo «Back to You» junto a Bebe Rexha y Digital Farm Animals.

[44]​[45]​[46]​ Más tarde, se anunció que Tomlinson había firmado un contrato discográfico con Epic Records.

[47]​ En octubre de 2017, Tomlinson lanzó un sencillo promocional «Just Like You» que alcanzó la posición noventa y nueve en las listas del Reino Unido.

Tomlinson dijo que el movimiento: «Es increíble, realmente he sido un fanático enorme del fútbol durante mucho tiempo y crecí en Doncaster, he estado en un montón de juegos en el Keepmoat para ser parte del club, es increíble».