В детстве обучался музыке у матери — Софьи Андреевны Толстой и у тульского учителя A. Г. Мичурина, параллельно с учёбой в тульской гимназии. Учился композиции у Сергея Ивановича Танеева
В 1881—1886 годах учился на отделении естественных наук физико-математического факультета Московского университета. Одновременно посещал курсы при консерватории у Н. Д. Кашкина и B. П. Прокунина.
Работал в Тульском отделении Крестьянского поземельного банка, в Петербурге в управлении Крестьянского банка. В 1890 стал земским начальником Чернского уезда Тульской губернии, где располагалось его имение Никольское-Вяземское. С середины 1890—1900 годов много занимался поддержкой толстовцев, репрессированных властями за антиправительственную деятельность, в т. ч. Л. А. Сулержицкого. В 1898—1899 годах принимал участие в переселении духоборов в Канаду, о чём оставил ценные воспоминания.
Писал романсы на слова русских поэтов, в том числе А. С. Пушкина, К. М. Фофанова, А. А. Фета, Ф. И. Тютчева; обработал 27 шотландских, 2 бельгийских песен. На конкурсе «Дома песни» (1908) удостоен премии за музыку к 10 шотландским песням Роберта Бернса. Составитель сборников шотландских (Москва, 1927) и старинных французских песен (Москва, 1933).
В результате знакомства и совместной работы с Хазрат Инайят Ханом, который провел в России несколько месяцев в 1913—1914, начал изучать индийскую музыку. В 1914 году заключил контракт с Инайят Ханом об издании партитуры и постановке балета «Шакунтала» по одноименной пьесе Калидасы. В 1915 году издал нотный альбом — Толстой С. Л. и Поль В. И. «Индусские песни и танцы по записям Инайат-Кханом. Переложение для фортепиано» (Изд. Э. Эберг).
Впоследствии, до 1921 года, (когда почти прекратилось почтовое сообщение РСФСР с зарубежными странами) был музыкальным представителем России в «The Sufi Order», основанном Хазрат Инайят Ханом в начале XX века в Великобритании.
Принимал живое участие в сохранении и популяризации памятных мест, связанных с именем отца. В 1914 году написал первый путеводитель по Ясной Поляне.
Написал ряд статей о музыке в жизни Л. Н. Толстого, в том числе «Музыка в жизни Л. Н. Толстого» (Музыка, 1911, № 50, 51), «Музыкальные произведения, любимые Л. Н. Толстым» (в кн.: Толстовский ежегодник, 1912. — М., 1912), «Лев Толстой и Чайковский» (в кн.: История русской музыки в исследованиях и материалах. Т.I. — Москва, 1924.
В 1926—1930 — профессор Московской консерватории. Мемуарист, композитор, псевдоним С. Бродинский. После Октябрьской революции работал в музыкальном отделе Наркомпроса, участвовал в фольклорных экспедициях. В 1921—1930 научный сотрудник Государственного ин-та музыкальной науки (ГИМН). В 1928—1929 — преподаватель музыкальной этнографии в Московской консерватории.
Автор работ о народной музыке: «Спутник музыканта-этнографа» (совместно с П. Н. Зиминым: Москва, 1929), «Испанская народная музыка» (СМ, 1937, № 7).
Первым браком был женат на Марии Константиновне Рачинской, вторым — на Марии Николаевне Зубовой. Сын — Сергей Сергеевич Толстой.
Орден Трудового Красного Знамени
Значительная часть наследия С. Л. Толстого находится в архивах Музея музыкальной культуры им. Глинки