Сын И. М. Толстого. Окончил юридический факультет С.-Петербургского университета. Коллежский асессор, с 1896 в МИД, в 1906 действительный статский советник.
В 1909 Директор русского сектора Римской международной выставки искусств, директор эрмитажного музея и вице-директор музея Александра III (Русский музей). Церемониймейстер двора. Коллекционер живописных портретов, многие из которых находятся теперь в Русском музее (СПб) и музее изобразительных искусств им. Пушкина (М.).
Директор Эрмитажа с 1909. К началу XX века Эрмитаж стал первоклассным музеем европейского типа, в котором работали выдающиеся специалисты и в котором ежегодно бывали сотни тысяч посетителей. Было сделано несколько замечательных приобретений в коллекции живописи. В 1910 г. было куплено огромное собрание голландской и фламандской живописи Семенова Тян-Шанского. Сенсационной стала покупка в 1914 г. «Мадонны с цветком» Леонардо да Винчи, принадлежавшей семье Бенуа.
Помещик Воронежской губернии (с братом). По данным Клировых ведомостей за 1911 год Дмитрий Иванович состоял церковным старостой Архангельской церкви в селе Чертовицы Воронежской губернии, занимавший эту должность с 1902 года. В 1918 уехал к семье в Киев, затем в Крым. После получения известия о расстреле великого князя Георгия Михайловича (бывший управляющий Русским музеем) как заложника, эмигрировал с семьей в Константинополь, затем скитался по Европе. Похоронен в православной церкви Ниццы.