Луи Трой Остин родился 24 декабря 1991 года в Донкастере, Англия.

После того как мать вышла второй раз замуж, Луи взял фамилию отчима Марка Томлинсона.

Луи учился в школе в государственной образовательной школе, в школе Hayfield, а также посещал школу актёрского мастерства в Барнсли.

В 2006 году сыграл небольшую роль в фильме «If I Had You».

В 2010 году Луи участвовал в британском проекте «The X Factor» с группой «One Direction». Помимо него в группе были Лиам Пейн, Гарри Стайлс, Найл Хоран и Зейн Малик.

На проекте группа «One Direction» заняла третье место. После проекта парни подписали контракт с компанией Syco Records.

В ноябре 2011 года группа «One Direction» записала свой первый альбом под названием «Up All Night».

В феврале 2012 года группа «One Direction» получила премию BRIT Award в номинации «Лучший британский сингл».

12 ноября 2012 года «One Direction» записала второй альбом с названием «Take Me Home».

В августе 2013 года Луи Томлинсон был включен в состав футбольного клуба "Донкастер", парень родился в Донкастере и всегда болел за местный клуб. В клубе верят, что регулярные поединки с участием Томлинсона принесут больше денег в их благотворительный фонд "Bluebell Wood".