Luis Tosar débute en tant qu'acteur dans des courts métrages. En parallèle, il fait des petites apparitions à la télévision. La série Riptide (1998) lui assure la renommée en Galice et lui ouvre les portes du 7e art. En novembre 2002, il représente le visage public du soutien du monde de la culture à la Plate-forme Nunca Máis au cours de la crise provoquée par la marée noire du Prestige.
Luis Tosar a plus de trente films à son actif. Il interprète souvent des personnages en prise avec la réalité quotidienne, actifs, révoltés et parfois menaçants comme par exemple le chômeur des Lundis au soleil (Los lunes al sol), le cadre agressif de Casual Day, ou le détenu mutin, brutal et dangereux de Cellule 211 (Celda 211). En 2003, il reçoit le Goya du meilleur second rôle pour Los lunes al sol. L'année suivante, il est élu « Meilleur acteur » aux Goyas, décernés par l'Académie des arts et des sciences cinématographiques d'Espagne. Cette récompense couronne sa prestation en mari violent dans
Ne dis rien (Te doy mis ojos). En 2006, il apparaît dans le remake cinématographique réalisé par Michael Mann de la série des années 1980, Miami Vice avec Colin Farrell et Jamie Foxx.
Sur scène, il joue notamment dans Hamlet de William Shakespeare, mis en scène par Lino Braxe, La Ménagerie de Verre de Tennessee Williams, dirigé par Agustin Alezzo, et The Game dîner de Francis Veber, mis en scène par Paco Mir.
En 2009 il tourne dans les studios de la Ville de Lumière d'Alicante, pour le film anglais Mr. Nice avec Rhys Ifans, Chloë Sevigny, David Thewlis et l'actrice espagnole Elsa Pataky.
Tosar est aussi la voix du groupe de musique The Ellas.
En 2010, il obtient le troisième Goya de sa carrière (et son second trophée pour le meilleur premier rôle) grâce à son interprétation de Malamadre dans Cellule 211.