Louis Tomlinson nació el 24 de diciembre de 1991 en Doncaster, Reino Unido, bajo el nombre de Louis Troy Austin. Es hijo de Troy Austin y Johannah Poulston, y hermano mayor de Lottie, Felicite, Phoebe y Daisy.6 En una entrevista con Daily Record, su madre explicó que se separó de Troy Austin cuando Louis era joven, así que sus cinco hijos adoptaron el apellido de su padrastro Mark Tomlinson.2 Tiene otra media hermana llamada Georgia Austin, hija de su padre biológico.7

Cuando Louis tenía 11 años, obtuvo un papel de extra en la película dramática de ITV, Fat Friends. A raíz de esto, comenzó a asistir a una escuela de actuación en su tiempo libre. 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. Louis audicionó en The X Factorcon una versión de la canción «Hey There Delilah» de Plain White T's y avanzó a la siguiente etapa.En una entrevista con la estación The Hits Radio, Louis aseguró que su modelo a seguir es Robbie Williams, y agregó que: «Tengo un icono musical masivo y ese es Robbie Williams. En realidad cantamos con él en The X Factor y fue absolutamente increíble». En ocasiones, Louis percibe cierto tipo de zumbidos en su oído derecho. Aunque no se ha diagnosticado oficialmente qué es lo que tiene, se cree que es tinnitus, una enfermedad que podría dejarlo sordo. Su grupo favorito es The Fray y su canción «Look After You» del mismo grupo.