Из дворянского рода остзейских немцев, имел титул барона. Родился в городе Ревеле (ныне Таллинн в Эстонии). Там же окончил школу. Семья после смерти отца в 1872 году перебралась в город Дерпт (ныне Тарту), где Эдуард поступил в Дерптский университет (ныне Тартуский университет) на естественно-исторический факультет. Изучал минералогию, геологию, ботанику, зоологию, медицину.
Первая экспедиция проходила у берегов Северной Африки. В Алжире и на Балеарских островах он изучал фауну, флору, геологию. Вернувшись в Дерпт, защитил кандидатскую диссертацию по зоологии, был оставлен при университете.
Труды Толля привлекли внимание знаменитого учёного-полярника А. А. Бунге. Он пригласил Толля в экспедицию на Новосибирские острова. В марте — апреле 1885 года, проделав по реке Яна около 400 километров, Толль прибыл в Верхоянск. Собрав много ценных материалов, вернулся в с. Казачье и через пролив Лаптева перебрался на Новосибирские острова.
Оказавшись на севере Котельного острова, километрах в 150—200 он увидел (или ему показалось, что увидел) неизвестную землю. Толль был уверен, что это — легендарная земля Санникова. Экспедиция завершилась в декабре 1886 года.
28 января 1887 года путешественники прибыли в Петербург. Было составлено геологическое описание Новосибирских островов, собраны обширные коллекции ископаемых животных и растений — две с половиной тысячи экспонатов.
В 1889 году он женился на Эммелине Вилькон, вышла в свет его книга, в Вене на IX Международной географической конференции он познакомился и подружился с Фритьофом Нансеном.
В 1893 году, Толль возглавил новую экспедицию. На берегу Восточно-Сибирского моря в районе мыса Святой Нос производил раскопки мамонта, на Восточно-Сибирских островах, выполняя просьбу Нансена, устраивал продовольственные склады на случай гибели готовившегося к трёхлетнему плаванию нансеновского «Фрама». На севере Сибири описывал Хараулахский, Чекановского и Прончищева хребты, нанёс на карту Анабарскую губу, изучил Хатангинскую губу и низовья реки Анабар. Производя маршрутные съёмки, исправлял и уточнял географические карты того времени. Основной же задачей экспедиции было найти останки мамонтов на реке Анабар, произвести там геологическое исследование.
В 1899 Толль приступил к организации новой экспедиции, целью которой было изучение морских течений в Карском и Восточно-Сибирском морях Северного Ледовитого океана, исследование уже известных и поиск новых островов в этой части Арктики, а в случае удачи — открытие «большого материка» («Арктиды», Земли Санникова), в существование которого Толль свято верил.
21 июня 1900 года «Заря» снялась с якоря в Санкт-Петербурге. Летом 1901 года экспедиция обследовала Таймыр.
В мае 1902 года начинается подготовка санно-шлюпочного перехода на остров Беннетта (один из островов Де-Лонга) и 5 июля 1902 года Толль покинул «Зарю» в сопровождении астронома Фридриха Зееберга и зверопромышленников Василия Горохова и Николая Дьяконова.
Планировалось, что «Заря» подойдет к острову Беннетта два месяца спустя. 13 июля партия Э.Толля на собачьих упряжках достигла мыса Высокого на острове Новая Сибирь. 3 августа на байдарах они достигли острова Беннетта.
Из-за тяжелой ледовой обстановки «Заря» не смогла подойти к острову Беннетта в назначенный срок и получила серьёзные повреждения, сделавшие невозможным дальнейшее плавание. В сентябре 1902 года капитан шхуны лейтенант Матисен был вынужден увести судно в бухту Тикси и выбросить на мель.
В 1903 году поисковая экспедиция под руководством Колчака обнаружила место стоянки Толля на острове Беннетта, его дневники и другие материалы. Известно, что группа Толля, не дождавшись «Зари», приняла решение самостоятельно двигаться на юг в сторону континента, однако дальнейшие следы этих четырех человек поныне не обнаружены.
Дневник Толля, согласно завещанию, был передан его вдове. Эммелина Толль издала дневник мужа в 1909 году в Берлине. В СССР в сильно урезанном виде он вышел в переводе с немецкого в 1959 году.