I 2010 meldte Tomlinson seg på X Factor. Han møtte opp på audition som soloartist i Manchester, og sang «Hey There Delilah» av Plain White T's der han fikk fire av fire stemmer og ble sendt videre til Boot Camp-stadiet. Denne dagen skal han også ha møtt han som skulle bli en kommende bandkollega, Harry Styles, og tatt et bilde med han, fordi Tomlinson mente Styles hadde gode sjanser til å komme videre. Tomlinson skulle angivelig ha blitt stemt ut under Boot Camp, men fikk sammen med fire andre (Liam, Niall, Zayn og Harry) sjansen til å gå videre som gruppe, da dommerne mente guttene ville være for talentfulle til å la gå. Gruppen tok navnet One Direction, men før de fikk fremført sin første sang foran mentoren Simon Cowell, skadet Tomlinson foten ved å tråkke på et sjøpinnsvin. Gruppen kom seg likevel videre til de direktesendte finaleshowene der de nådde en tredjeplass.