En 2016, grabó su single debut en solitario Just Hold On, en colaboración con el DJ Steve Aoki, el single llegó al número uno en el Billboard Dance. En julio de 2017, presentó el single Back to You, alcanzando el número ocho en el UK Singles Chart y el número cuarenta en el Billboard Hot 100 chart. En 2018, lanzó el tema Miss You.
El 23 de octubre de 2019, lanzó el sencillo, We Made It y en ese mismo día, anunció la gira mundial Louis Tomlinson.

Su álbum debut en solitario se titula Walls y aparece el 31 de enero de 2020. El álbum debutó en el número 4 en la lista de álbumes del Reino Unido y en el número 9 en la lista Billboard 200, e incluye los sencillos Defenceless, Kill my mind,Walls y Perfect now, entre otros. El 23 de noviembre de 2019, lanzó Don't Let It Break Your Heart, cuarto sencillo de este álbum.
Tras participar en un partido benéfico en el Keepmoat Stadium de Doncaster, el club de fútbol profesional Doncaster Rovers, le ofreció un contrato para jugar en el club en condiciones no contractuales. En febrero de 2014, debutó como futbolista profesional en un partido para una organización de beneficencia, jugó 25 minutos del segundo tiempo.