Томлинсон родился в семье Джоанны Поулстон и Троя Остина. Его родители развелись, когда ему было 2 года, и он взял фамилию отчима Марка Томлинсона. У него есть пять младших сестер.
Во время школьного обучения Луи пробовал себя в качестве актёра. Он посещал школу актёрского мастерства в городе Барнсли, принимал участие в школьных спектаклях и мюзиклах. В возрасте 15 лет Луи получил свои первые небольшие роли в кино — снялся в фильме «If I Had You» и сериале «Улица Ватерлоо».
В 2010 году Томлинсон пришёл на проект The X Factor как сольный участник, но не достиг успеха в отборе вокального конкурса. Судья Николь Шерзингер предложила ему и ещё 4 участникам объединиться в группу. Группе дали название «One Direction» и в неё также вошли Лиам Пейн, Гарри Стайлз, Найл Хоран и Зейн Малик. В итоге они заняли 3 место на шоу, и, заключив контракт с лейблом Syco Music, на начало 2017 года выпустили 5 альбомов: Up All Night, Take Me Home, Midnight Memories, Four и Made in the A.M.