W grudniu 2005 Tonkin została obsadzona w roli Cleo Sertori w australijskim serialu telewizyjnym dla dzieci H2O – wystarczy kropla o życiu trzech nastoletnich dziewcząt, które zamieniają się w syreny. Serial miał swoją premierę 7 lipca 2006 w Network Ten i od tego czasu został wyemitowany przez ponad 250 milionów widzów na całym świecie. W 2008 Tonkin została nominowana do nagrody Australijskiego Instytutu Filmowego w kategorii „Najlepsza główna aktorka w serialu telewizyjnym”. Serial trwał trzy sezony, a jego finał odbył się 16 kwietnia 2010.

Tonkin jako modelka uczestniczyła w różnych sesjach zdjęciowych do katalogów i magazynów, takich jak „Miss Vogue” (w czerwcu 2013), „Elle” (w marcu 2015, w lipcu 2017, w marcu 2020), „Harper’s Bazaar” (w listopadzie 2018) i „InStyle” (we wrześniu 2019).

Filmografia Lata Tytuł Rola 2006–2010 H2O – wystarczy kropla Cleo Sertori 2009–2010 Chata pełna Rafterów Lexi 2010 Jutro, jak wybuchnie wojna Fiona Maxwell 2010 Zatoka serc Adrian Hall 2011–2012 Tajemny krąg Faye Chamberlain 2012 W szczękach rekina 3D Jaime 2012 Pamiętniki wampirów Hayley 2013–2018 The Originals