А. Н. Толстой родился 29 декабря 1882 (10 января 1883). Отец — граф Николай Александрович Толстой (1849—1890), хотя некоторые биографы приписывают отцовство его неофициальному отчиму — Алексею Аполлоновичу Бострому.
Мать — Александра Леонтьевна (1854—1906), урождённая Тургенева — писательница, двоюродная внучка декабриста Николая Тургенева, к моменту рождения А. Н. Толстого ушла от мужа и сожительствовала с любовником. Официально выйти замуж за А. А. Бострома не могла из-за определения духовной консистории.
Детские годы будущего писателя прошли в небольшом имении А. А. Бострома на хуторе Сосновка, недалеко от Самары (в настоящее время — пос. Павловка, микрорайон Красноармейский).
Весной 1905 года, будучи студентом Петербургского технологического института, Алексей Толстой был отправлен на практику на Урал, где более месяца жил в Невьянске. Позднее, по книге «Лучшие путешествия по Среднему Уралу: факты, легенды, предания», Невьянской наклонной башне Толстой посвятил свой самый первый рассказ «Старая башня».
В Первую Мировую войну — военный корреспондент. Совершил поездку во Францию и Англию (1916).
В 1918—1923 Алексей Толстой находился в эмиграции (Константинополь, Берлин, Париж), впечатления от которой отразил в сатирической повести «Похождение Невзорова, или Ибикус» (1924). В 1927 году принял участие в коллективном романе «Большие пожары», публиковавшемся в журнале «Огонёк».
В трилогии «Хождение по мукам» (1922—1941) стремится представить большевизм имеющим национальную и народную почву, а революцию 1917 года как высшую правду, постигаемую русской интеллигенцией.
Исторический роман «Петр I» (кн. 1—3, 1929—1945, не окончен) — возможно, самый известный образец этого жанра в советской литературе, содержит апологию сильной и жестокой реформаторской власти.
Произведения Толстого повесть «Аэлита» (1922—1923) и роман «Гиперболоид инженера Гарина» (1925—1927) стали классикой советской научной фантастики.
Повесть «Хлеб» (1937), посвящённая обороне Царицына в годы гражданской войны интересна тем, что в увлекательной художественной форме рассказывает то видение Гражданской Войны в Российской Империи, которое бытовало в кругу И. В. Сталина и его соратников и послужило основой для создания сталинского культа личности. Одновременно с этим в повести уделяется подробное внимание описанию воюющих сторон, быта и психологии людей того времени.
Среди других сочинений: рассказ «Русский характер» (1944), драматургия — «Заговор императрицы» (1925), о разложении царского режима; «Дневник Вырубовой» (1927).
Некоторые крупные произведения автор подвергал серьезной переработке — романы «Сёстры», «Гиперболоид инженера Гарина», «Эмигранты» («Чёрное золото»), пьесу «Любовь — книга золотая» и др.
На Первом съезде писателей (1934) выступил с докладом о драматургии.
Был за границей (Германия, Италия — 1932, Германия, Франция, Англия — 1935, Чехословакия — 1935, Англия — 1937, Франция, Испания — 1937). Участник Первого (1935) и Второго (1937) конгрессов писателей в защиту культуры.
Один из авторов книги «Канал имени Сталина» (1934).
В 1936—1938 годах, после смерти А. М. Горького, А. Н. Толстой возглавлял Союз писателей СССР.
А. Н. Толстой — академик АН СССР (1939), депутат ВС СССР 1-го созыва с 1937 года.
Член Комиссии по расследованию злодеяний фашистских оккупантов. Присутствовал на Краснодарском процессе. Один из фактических соавторов знаменитого обращения Молотова-Сталина 1941 года, в котором советские лидеры призывают народ обратиться к опыту великих предков — Александра Невского, Дмитрия Донского, Минина и Пожарского, Суворова и Кутузова.
А. Н. Толстой умер 23 февраля 1945 года. Похоронен в Москве на Новодевичьем кладбище (участок № 2). В связи с его смертью был объявлен государственный траур.
Роман Гуль в своих мемуарах утверждает, что А. Н. Толстой не был биологическим сыном графа Николая Толстого (ссылаясь на других, бесспорных сыновей графа, которые будто бы отрицательно относились к Алексею, который участвовал в разделе наследства Николая Толстого).
Алексей Варламов (автор биографии Толстого, изданной в 2006 году в серии ЖЗЛ) указывает, что свидетельство Гуля вызывает серьёзные сомнения (учитывая негативное отношение мемуариста к А. Н. Толстому). Однако тот же автор приводит письменное свидетельство в пользу другой версии: Александра Леонтьевна Толстая в своё время поклялась священнику в том, что отец ребёнка — А. А. Бостром. Возможно, позднее Александра Леонтьевна поняла, что её сыну гораздо лучше быть законнорождённым графом, и начала многолетнюю тяжбу о законности его рождения, фамилии, отчества и титула. Тяжба эта завершилась успехом лишь в 1901 году, когда А. Н. Толстому было уже 17 лет.
Сергей Голицын в книге «Записки уцелевшего» упоминает:
В годы войны Алексей Толстой пишет около 60 публицистических материалов (очерки, статьи, обращения, зарисовки о героях, военных операциях), начиная с первых дней войны (27 июня 1941 года — «Что мы защищаем») и до самой своей смерти в конце зимы 1945 года. Самым известным произведением Алексея Толстого о войне считается очерк «Родина».
В этих статьях писатель часто обращается к фольклору, к эпизодам русской истории. Часто в статьях вспоминаются русские народные сказки (в «Армии героев» Алексей Толстой сравнивает Гитлера со сказочным волком). В «Русских воинах» писатель цитирует «Слово о полку Игореве». В других статьях упоминаются борьба с ханом Мамаем, победы Александра Невского и Михаила Кутузова.
Алексей Толстой последовательно выводит некий «русский характер», отмечая определенные черты, характерные для русского народа: «отрешение от привычного в трудные минуты жизни» («Что мы защищаем»), «русская смётка» («Армия героев»), «устремление русского народа к моральному совершенствованию» («К писателям Северной Америки»), «пренебрежение к своей жизни и злость, смышленость и упорство в драке» («Почему Гитлер должен потерпеть поражение»).
Алексей Толстой поднимает на смех психологические методы ведения войны фашистов («Смельчаки»), сравнивая «череп и кости … в петлицах, чёрные танки, воющие бомбы» с рогатыми масками дикарей. Таким образом, Толстой старался бороться с различными мифами о противнике, которые ходили среди солдат.
С именем А. Н. Толстого связаны некоторые подмосковные места: он бывал в Доме творчества писателей в Малеевке (ныне Рузский район), в конце 1930-х годов навещал Максима Горького на его даче в Горках (ныне Одинцовский район), вместе с Горьким посетил в 1932 году Болшевскую трудовую коммуну (ныне территория г. Королева).
Долгое время жил на даче в Барвихе (ныне Одинцовский район). В 1942 году написал здесь свои военные рассказы: «Мать и дочь», «Катя», «Рассказы Ивана Сударева». Здесь же начал третью книгу романа «Хождение по мукам», а в конце 1943 года работал над третьей частью романа «Петр I».
А. Н. Толстой на почтовой марке СССР
А. Н. Толстой на почтовой марке России