Originaire de Galicie, en Espagne, Luis Tosar apparaît dans de nombreux courts-métrages avant de connaître une popularité soudaine dans sa région grâce à la série Mareas Vivas, où il tient un rôle récurrent, de 1998 à 2001. Sa carrière lancée, il décroche son premier rôle au cinéma dans la comédie à l'humour noir Atilano, presidente (1998). Très engagé dans la préservation de la langue et de l'identité galicienne, il est élu "Galicien du mois" par le "Courrier Galicien" en février 2003.

Désormais reconnu par ses pairs, il est la cible de la jalousie de Daniel Gimenez-Cacho dans le dérangeant Celos (1999) de Vicente Aranda, et l'un des nombreux prétendants de Lissete Mejia dans Flores de otro mundo (1999) de la réalisatrice Icíar Bollaín, qu'il retrouve en tant qu'actrice dans Leo (2000) de José Luis Borau. La même année, il est également à l'affiche de la comédie noire Mes chers voisins de Álex de la Iglesia avant de camper un parrain de la mafia en quête de revanche dans Lena (2001).

Fort de son expérience, Luis Tosar s'essaie à des productions internationales en 2002: il donne ainsi la réplique à Victoria Abril, Penélope Cruz ou encore Fanny Ardant dans la comédie Sans nouvelles de Dieu, puis à Mira Sorvino et Olivier Martinez dans le thriller Semana Santa. La consécration vient cependant avec un film espagnol: le drame choral Les Lundis au soleil de Fernando León de Aranoa, où il a pour partenaire Javier Bardem et remporte le Goya du Meilleur Second Rôle. Il poursuit son ascension en décrochant l'année suivante celui du Meilleur Rôle masculin dans Ne dis rien, dans lequel il retrouve la cinéaste Icíar Bollaín.

Prisonnier politique dans The Carpenter's Pencil (2003) de Antón Reixa (avec qui il collabore à nouveau pour Hotel Tívoli en 2007), en attente de greffe du cœur dans El regalo de Silvia, et changeant sa perception de la vie au contact d'une jeune fille dans The Weakness of the Bolshevik, il privilégie plus que jamais le registre dramatique. Après Visionnaires (2001), il tourne à nouveau sous la direction de Manuel Gutiérrez Aragon dans le drame rural Your Next Life (2004), où à la ville comme à l'écran, il tombe amoureux de l'actrice Marta Etura.

Il fait un détour par la comédie freudienne Inconscientes (2004) avant de se consacrer de nouveau à des films plus sombres tels que le drame familial La Noche del hermano (2005). Il est ensuite choisi pour camper un chef de cartel face à Colin Farrell et Jamie Foxx dans Miami vice - Deux flics à Miami (2006), de l'américain Michael Mann, et enchaîne deux autres productions américaines : il est ainsi Violin, l'un des personnages surréalistes du film indépendant The Limits of Control de Jim Jarmusch, et Lovato dans Mr. Nice de Bernard Rose (2010).

En 2010, presque 10 ans après leur première collaboration dans Le Coeur du guerrier, il retrouve le réalisateur Daniel Monzón dans l'univers carcéral étouffant de Cellule 211 qui remporte un immense succès populaire et critique : huit Goyas dont celui du Meilleur Acteur pour Luis Tosar, qui offre une incroyable performance dans la peau du taulard Malamadre.

Suite à ce succès, Luis Tosar prend part à l'épique Même la pluie et se glisse dans la peau d'un inquiétant gardien d'immeuble dans Malveillance. L'acteur poursuit en privilégiant grandement le thriller/policier, comme en témoignent ses prestations dans El Niño, Appel inconnu, Toro, Insiders, Gun City, Braquage final, L'Échappée sauvage ou encore le très sombre Eye for an Eye, dans lequel il incarne un infirmier voulant se venger d'un chef mafieux. En 2022, il goûte à nouveau à l'univers carcéral en jouant un terroriste ETA incarcéré dans Les Repentis.