Tomlinson đến từ Doncaster, South Yorkshire, Anh.[3] Mẹ của anh là bà Johannah Poulston và bố của anh là ông Troy Austin. Cha mẹ anh li dị nhau khi anh còn trẻ và anh đã lấy họ của cha dượng là Mark Tomlinson để đặt cho mình. Tomlinson có năm người em gái, và 2 trong số họ có mặt với vai trò như những đứa trẻ trong series phim "Fat Friends" bên cạnh anh trai họ. Anh ấy là học sinh tại trường Hall Cross, một trường tiêu chuẩn quốc gia, và là một học sinh cũ của trường Hayfield. Tomlinson bị đánh rớt trong năm học đầu tiên tại Hayfield và phải quay trở lại hoàn thành trình độ học khác tại Hall Cross. Anh có nhiều việc làm bao gồm làm việc tại rạp chiếu bóng Vue và tại sân vận động Doncaster Rovers như công việc của một bồi bàn trong các dãy phòng ở khách sạn. Khi còn là học sinh của Hall Cross, Tomlinson được xuất hiện trong nhiều vở nhạc kịch của trường. Và Danny Zuko, người đứng đầu môn nhạc lý tại Hall Cross, đã thúc đẩy Tomlinson đến vòng thử giọng của cuộc thi The X Factor.[4][5]