Tomlinson apareceu em vรกrias produรงรตes musicais. Estar envolvido com produรงรตes musicais no Hall Cross deu-lhe um crescente sentimento de ambiรงรฃo e determinaรงรฃo. Assumir o papel principal de Danny Zuko na produรงรฃo musical de Grease de Hall Cross motivou-o a fazer um teste para o The X Factor. Tomlinson depois disse em uma entrevista de 2017 que outra motivaรงรฃo para ele fazer o teste para o The X-Factor foi porque a banda que ele estava antes do One Direction, quando ele tinha apenas 14 anos, o expulsou depois que um novo garoto veio para a escola e decidiu substituir ele como seu vocalista. "Entรฃo eu pensei: "๐ธ๐ข ๐ฃ๐๐ข ๐๐ ๐โ๐ ๐ ๐น๐๐๐ก๐๐ ๐๐๐๐๐, ๐ฃ๐๐ข ๐ ๐ข๐๐๐๐๐๐๐๐๐ ๐ก๐๐๐๐ ๐ฃ๐๐๐๐ !" Ele disse. Tomlinson fez uma audiรงรฃo para o The X-Factor em 2009, onde ele nรฃo conseguiu passar da audiรงรฃo do produtor, mas esta pequena derrota sรณ lhe deu a determinaรงรฃo de voltar no ano seguinte.
Em 2010, Tomlinson fez o teste para a sรฉtima ediรงรฃo da competiรงรฃo de canto The X Factor. Ele nรฃo conseguiu progredir para a categoria "Boys" nas casas de juรญzes, mas, apรณs uma sugestรฃo de Nicole Scherzinger, um juiz convidado, durante a fase de bootcamp da competiรงรฃo em Wembley Arena, Londres em julho de 2010, ele foi colocado junto com Niall Horan , Zayn Malik, Liam Payne e Harry Styles para formar uma boy band de cinco pessoas, qualificando-se para a categoria "Grupos". Posteriormente, o grupo se reuniu por duas semanas para se conhecerem e praticarem. O grupo surgiu com o nome One Direction. Para a sua mรบsica de qualificaรงรฃo nas casas dos jurados e suas primeiras canรงรตes como um grupo, One Direction cantou uma versรฃo acรบstica de "Torn", de Natalie Imbruglia. Simon Cowell comentou mais tarde que a performance o convenceu de que o grupo "estava confiante, divertido, como uma gangue de amigos e meio destemido tambรฉm". Nas primeiras quatro semanas dos shows ao vivo, eles foram o รบltimo ato de Cowell na competiรงรฃo. O grupo rapidamente ganhou popularidade no Reino Unido.
O One Direction terminou em terceiro lugar e imediatamente apรณs a final, sua mรบsica "Forever Young", que teria sido lanรงada se tivesse vencido o The X Factor, vazou na internet. Pouco tempo depois, foi confirmado que One Direction havia sido assinado por Cowell para um contrato recorde de 2 milhรตes de libras esterlinas da Syco Records.
