С материнской стороны происходил из рода Разумовских (прадед — последний малороссийский гетман Кирилл Разумовский; дед — министр народного просвещения при Александре I — А. К. Разумовский). Отец — гр. К. П. Толстой, с которым мать разошлась сразу же после рождения сына. Воспитывался под руководством матери и ее брата — писателя А. А. Перовского (см.: А. Погорельский), поощрявшего ранние поэтические опыты Толстого. В 1834 поступил в Московский архив Министерства иностранных дел. Затем был на дипломатической службе. В 1843 получил звание камер-юнкера. В к. 30-х — н. 40-х Толстой написал фантастические повести в стиле готического романа и романтической прозы — «Семья вурдалака» и «Встреча через триста лет» (на фр. яз.). Первая публикация — повесть «Упырь» (1841, под псевд. Краснорогский). В 40-е Толстой начал работать над историческим романом «Князь Серебряный» (окончен в 1861), тогда же создал ряд баллад и лирических стихов, напечатанных позднее (в 50—60-е); многие из них приобрели широкую популярность («Колокольчики мои», «Ты знаешь край, где все обильем дышит», «Где гнутся над омутом лозы», «Курган», «Василий Шибанов», «Князь Михайло Репнин» и др.). В н. 50-х Толстой сблизился с И. С. Тургеневым, Н. А. Некрасовым и др. писателями. С 1854 печатает в «Современнике» стихи и литературные пародии. В сотрудничестве со своими двоюродными братьями А. М. и В. М. Жемчужниковыми в отделе «Литературный ералаш» «Современника», в «Свистке» публиковал сатирико-пародийные произведения за подписью Козьма Прутков; творчество вымышленного ими автора стало пародийным зеркалом отживающих литературных явлений и вместе с тем создавало сатирический тип бюрократа, претендующего на роль законодателя художественного вкуса.

Отойдя с 1857 от участия в «Современнике», Толстой стал печататься в «Русской беседе», а в 60—70-х — гл. обр. в «Русском вестнике» и «Вестнике Европы». В эти годы он отстаивал принципы т. н. «чистого искусства», независимого от политических, в т. ч. «прогрессивных» идей. В 1861 Толстой ушел со службы, которой очень тяготился, и сосредоточился на литературных занятиях. Опубликовал драматическую поэму «Дон Жуан» (1862), роман «Князь Серебряный» (1863), историческую трилогию — трагедии «Смерть Иоанна Грозного» (1866), «Царь Федор Иоаннович» (1868), «Царь Борис» (1870). В 1867 вышло первое собрание стихотворений Толстого. В последнее десятилетие писал баллады («Змей Тугарин», 1868, «Песня о Гаральде и Ярославне», 1869, «Роман Галицкий», 1870, «Илья Муромец», 1871 и др.), стихотворные политические сатиры («История государства Российского от Гостомысла до Тимашева», опубл. 1883; «Сон Попова», опубл. 1882, и др.), поэмы («Портрет», 1874; «Дракон», 1875), лирические стихи.

Творчество Толстого проникнуто единством мотивов, философских идей, лирических эмоций. Интерес к национальной старине, проблемам философии истории, неприятие политической тирании, любовь к природе родного края — эти особенности Толстого как человека и мыслителя нашли отражение в его произведениях всех жанров. Идеальным государственным устройством, соответствующим национальному характеру русского народа, он считал Киевскую Русь и древний Новгород. Высокий уровень развития искусства, особое значение культурного слоя аристократии, простота нравов, уважение князя к личному достоинству и свободе граждан, широта и многообразие международных связей, особенно связей с Европой, — таким представлялся ему уклад жизни Древней Руси. Баллады, рисующие образы Древней Руси, пронизаны лиризмом, они передают страстную мечту поэта о духовной независимости, восхищение цельными героическими натурами, запечатленными народной эпической поэзией. В балладах «Илья Муромец», «Сватовство», «Алеша Попович», «Канут» и др. образы легендарных героев и исторические сюжеты иллюстрируют мысль автора, воплощают его идеальные представления (напр., кн. Владимир Киевский). По системе художественных средств эти баллады близки некоторым лирическим стихотворениям Толстого («Благовест», «Коль любить, так без рассудку», «Край ты мой, родимый край» и др.).

Баллады Толстого, рисующие эпоху укрепления русской государственности, пронизаны драматическим началом. Сюжетами многих из них послужили события из истории царствования Ивана Грозного, который представлялся поэту наиболее ярким выразителем принципа неограниченного самовластия и полного поглощения личности государством. «Драматические» баллады более традиционны по форме, чем «лирические», относящиеся преимущественно к к. 60-х — н. 70-х. Однако и в них Толстой проявил себя как оригинальный поэт, видоизменяющий поэтическую структуру жанра. Так, в балладе «Василий Шибанов» Толстой пересматривает героическую ситуацию спора свободолюбивого подданного с царем, получившую признание под влиянием творчества Ф. Шиллера. Передавая обличение Ивана Грозного Курбским, Толстой подчеркивает в участниках драматического конфликта — царе и мятежном боярине — общие черты: гордость, бесчеловечность, неблагодарность. Способность же к самопожертвованию, готовность пострадать за слова правды автор видит в простом человеке, которого сильные мира сего приносят в жертву своему спору: безвестный раб одерживает нравственную победу над царем и своим подвигом восстанавливает торжество подлинно человеческого величия над мнимым. «Василий Шибанов», как и др. «драматические» баллады Толстого, по своей тематике и сложности психологических характеристик героев, по этическому подходу поэта к историческим событиям примыкает к произведениям Толстого крупных жанров.

В романе «Князь Серебряный» Толстой рисует жестокие столкновения сильных людей в обстановке разнузданного самовластья и показывает пагубное влияние произвола на личность самого монарха и его окружение. В романе показано, как, удаляясь от развращенного придворного круга, а иногда и скрываясь от преследований или социального угнетения, одаренные люди из разных слоев общества «творят историю», защищают родину от вторжения внешних врагов, открывают и осваивают новые земли (князь Серебряный, Ермак Тимофеевич, Иван Кольцо, Митька и др.). Стиль романа связан с традициями исторического романа и повести 30-х, в т. ч. с традициями, идущими от повестей Н. В. Гоголя «Страшная месть» и «Тарас Бульба».

В драматической трилогии Толстой изобразил русскую жизнь к. XVI — н. XVII в. Решение историко-философских проблем и в этих пьесах для него важнее, чем точное воспроизведение исторических фактов. Он рисует трагедию трех царствований, изображая трех самодержцев: одержимого идеей божественного происхождения своей власти Ивана Грозного, мягкосердечного Федора и мудрого правителя — «гениального честолюбца» Бориса Годунова.

Особое значение Толстой придавал созданию индивидуальных, своеобразных и ярких характеров исторических лиц. Крупным достижением явился образ царя Федора, свидетельствующий об усвоении писателем принципов психологического реализма в 60-е. Постановкой трагедии «Царь Федор Иоаннович» был открыт в 1898 Московский Художественный театр.

Особенности исторического мышления Толстого сказались и в политических сатирах. За анекдотическим сюжетом «Сна Попова» скрывалась едкая насмешка поэта над либералами. Полемика с нигилистами отразилась в стихах «Порой веселой мая…», «Против течения» и др. В «Истории государства Российского от Гостомысла до Тимашева» Толстой подверг беспощадному осмеянию исторические явления, которые, как он считал, мешали жить национальной России. Интимной лирике Толстого, в отличие от его драматургии и баллад, чужда приподнятость тона. Его лирические стихотворения просты и задушевны. Многие из них представляют собой как бы психологические новеллы в стихах («Средь шумного бала, случайно…», «То было раннею весной»). Толстой вводил в свою лирику элементы народно-поэтического стиля, его стихи часто близки к песне. Более 70 стихотворений Толстого положены на музыку русскими композиторами; романсы на его слова писали Н. А. Римский-Корсаков, П. И. Чайковский, М. П. Мусоргский, С. И. Танеев и др.