Детские годы будущего писателя прошли в деревне Сосновка, которая принадлежала его отчиму. Первоначальное образование А. Толстой получил дома под руководством   приглашенного учителя. В 1897 г. семья переехала в Самару, где Толстой поступил в училище. Окончив его в 1901 г., отправился в Санкт-Петербург, чтобы продолжать образование и поступил на отделение механики Технологического института.

В 1907 г., незадолго до защиты диплома, он оставил институт, решив посвятить себя литературному труду. В 1908 г. написал книгу стихов «За синими реками» — результат первого знакомства с русским фольклором. К этому времени относятся и первые прозаические опыты — «Сорочьи сказки».

На раннее творчество Толстого оказал влияние М. Волошин, который в те годы был с ним дружен. В 1909 г. написал первую повесть «Неделя в Туреневе», вошедшую позднее в сборник «Заволжье». Затем вышли в свет два романа — «Чудаки» и «Хромой барин». Произведения А. Толстого привлекли внимание М. Горького, который увидел в нем «...писателя, несомненно крупного, сильного...». Критика тоже благосклонно оценила его литературные опыты.

Первая мировая война изменила планы Толстого. Как военный корреспондент от «Русских ведомостей» он находился на фронтах, побывал в Англии и Франции, написал ряд очерков и рассказов о войне («На горе» (1915); «Под водой» (1916), «Прекрасная дама» (1916)).

События Февральской революции 1917 г. вызвали его интерес к проблемам русской государственности, что побудило писателя заняться изучением истории петровской эпохи. Много времени уделял он работе с архивами, стремясь открыть подлинную историю, создать образы Петра I и его окружения.

Октябрьскую революцию 1917 г. Толстой воспринял враждебно. Осенью 1918 г. он уехал с семьей в Одессу, оттуда — в Париж.

В 1921 г. Толстой переехал в Берлин и вошел в группу «Накануне» (общественно-политическое движение русской эмигрантской интеллигенции). В 1922 г. в Берлин приехал М. Горький, с которым установились дружеские отношения. В берлинский период были написаны: роман «Аэлита», повести «Черная пятница» и «Рукопись, найденная под кроватью».

В 1923 г. Толстой возвратился в СССР. Среди написанного после возвращения выделяется прежде всего трилогия «Хождение по мукам», к которой тематически примыкает повесть «Хлеб» (1937). В 1925 - 1927 гг. вышел в свет его научно-фантастический роман «Гиперболоид инженера Гарина».

Во время Великой Отечественной войны Толстой часто выступал со статьями, очерками, рассказами, героями которых были простые люди, проявившие себя в тяжелых испытаниях войны. В этот период он создает драматическую дилогию «Иван Грозный» (1941 — 1943).

Значительным достижением А.Н. Толстого стал его исторический роман «Петр I», над которым он работал в течение 16 лет и который он так и не успел закончить.

Умер А.Н. Толстой 23 февраля 1945 г. в Москве и похоронен на Новодевичьем кладбище.