Em 2012, Tom estreou no cinema com o filme "O Impossível", dirigido por J. A. Bayona e estrelado também por Naomi Watts e Ewan McGregor. O filme, que conta a história baseada em fatos verídicos de uma família que foi separada pelo tsunami do Oceano Índico de 2004, mas que acabou por conseguir reunir-se, estreou no Festival Internacional de Cinema de Toronto e teve críticas positivas. Sua atuação na obra rendeu a Holland, entre várias indicações, os prêmios Empire Awards de Ator Revelação, "Spotlight Award" no Hollywood Film Festival, London Film Critics' Circle de Jovem Artista Britânico do Ano, National Board of Review de Ator Revelação, Phoenix Film Critics Society de Melhor Jovem Artista Masculino em Papel de Protagonista ou Coadjuvante.