Воспитывался у отчима А. А. Бострома на хуторе Сосновка под Самарой. Учился в Самарском реальном училище, в 1901 г. поступил в Петербургский технологический институт, в 1907 г. ушёл в художественное училище.

Первые книги — «Лирика» и «Сорочьи сказки».

Первая мировая война и Октябрьская революция заставили Толстого обратиться к теме великой личности в истории. «Четыре эпохи влекут меня: эпоха Ивана Грозного, Петра Первого, Гражданской войны 1918—1920 гг. и наша сегодняшняя», — писал он в дневнике. Все эти замыслы ему удалось осуществить.

Увлекали Толстого и фантастические миры. Находясь с 1918 по 1923 г. за пределами России и затем, вернувшись на родину, он создаёт рассказ «День Петра» (1918 г.), первую часть эпопеи «Хождение по мукам» (1919—1922 гг.), научно-фантастические романы «Аэлита» (1922—1923 гг.), «Гиперболоид инженера Гарина» (1925— 1927 гг.).

В 30—40-х гг. Толстой завершил «Хождение по мукам» , работал над романом «Пётр Первый» (1929—1945 гг.). Другому любимому историческому деятелю, Ивану IV Грозному, Толстой посвятил пьесы «Орёл и орлица» (1941—1942 гг.), «Трудные годы» (1943 г.).

Для детей написал сказку «Золотой ключик, или Приключения Буратино». Прототипом Буратино стал Пиноккио из одноимённой сказки Карло Коллоди.

В годы Великой Отечественной войны Толстой в своих статьях рассказывал о подвигах на фронте и в тылу. Силой духа русских людей писатель восхищался в «Рассказах Ивана Сударева» Задумывал большой роман о войне.

Умер 23 февраля 1945 г. в Москве.

В 1946-м ему посмертно присудили третью Сталинскую премию за пьесу «Иван Грозный». По мотивам произведений писателя сняли множество художественных фильмов — «Формула любви», «Похождения Невзорова», «Юность Петра», «Золотой ключик». «Аэлиту» экранизировали не только в СССР, но и в Венгрии.