Начал свою политическую жизнь в социалистической партии Италии ещё до первой мировой войны. После войны участвовал в группе вокруг газеты Антонио Грамши «Новый порядок» (итал. L’Ordine Nuovo) в Турине.
Участвовал в создании коммунистической партии Италии и, после того как фашистский режим Муссолини арестовал Грамши, стал лидером компартии и оставался на этом посту до своей смерти.
В 30-е годы находился в ссылке. В 1940-44 годах жил в СССР, выступал по московскому радио (вещание на Италию) под псевдонимом Марио Корренти; в марте 1944 года вернулся в Италию, основал журнал «Ринашита»; стал вдохновителем политики национального единства в борьбе за изгнание немецко-фашистских войск, оккупировавших Италию в 1943.
Под его руководством компартия Италии совершила так называемый «Салернский поворот» — поворот партии к поддержке демократических реформ в Италии и отказ от борьбы за социализм. Это также означало разоружение партизан, поддерживавшихся коммунистами.
Его заместителями были Луиджи Лонго и Пьетро Секкья.
Под управлением Тольятти компартия Италии стала самой крупной партией в Италии и самой большой неправящей коммунистической партией в Европе. Хотя и не входившая в правительство, партия была у власти во многих муниципалитетах и обладала большим влиянием в обществе.
Тольятти последовательно выступал за дружбу с Советским Союзом. Посетив детский сад № 1 «Орлёнок» завода «Арсенал» в 1960 году, он написал в книге отзывов по-русски: «Изумительное учреждение! Мы должны понимать и надеяться, что для всех детей во всех странах мира может быть открыт такой путь — путь коллективного воспитания здоровья, свободы».
Во время посещения детского лагеря «Артек» потерял сознание и вскоре умер. Похоронен в Италии, в Риме.