Народився в садибі Ясна Галявина. Серед предків письменника по батьківській лінії — сподвижник Петра I — П. А. Толстой, одним з перших у Росії отримав графський титул. Учасником Вітчизняної війни 1812 р. був батько письменника гр. Н. В. Толстой. По материнській лінії Толстої належав до роду князів Болконских, зв’язаних спорідненням із князями Трубецькими, Голицин, Одоєвськ, Личаними й іншими знатними родинами. По матері Толстої був родичем А. С. Пушкіна.
Коли Толстому йшов дев’ятий рік, батько вперше повіз його в Москву, враження від зустрічі з якої жваво передані майбутнім письменником у дитячому творі «Кремль». Рано осиротівши, з сестрою і братами юний Толстой переїжджає в Казань.
У Казані Товстої учився з 1844 р. спочатку на східному, а потім на юридичному факультеті університету. У зрілу пору життя письменник вільно володів англійською, французькою і німецькою мовами; читав на італійському, польському, чеському і сербському; знав грецький, латинський, український, татарський, церковнослов’янський; вивчав давньоєврейський, турецький, голландський, болгарський і інші мови.
Толстой захопився самостійною роботою над історичною темою і, залишивши університет, виїхав з Казані в Ясну Галявину. Потім він відправився в Москву, де наприкінці 1850 р. почалася його письменницька діяльність: незакінчена повість з циганського побуту (рукопис не зберігся) і опис одного прожитого дня («Історія вчорашнього дня»). Тоді ж була почата повість «Дитинство». Незабаром Толстой вирішив поїхати на Кавказ, де його старший брат, Микола Миколайович, офіцер-артилерист, служив у діючій армії. Враження від Кавказької війни відбилися в розповідях «Набіг» (1853), «Рубання лісу» (1855), «Розжалуваний» (1856), у повісті «Козаки» (1852-1863). На Кавказу була завершена повість «Дитинство», у 1852 р. надрукована в журналі «Сучасник».
Коли почалася Кримська війна, Толстой перевівся з Кавказу в Дунайську армію, а потім у Севастополь. Толстой був нагороджений орденом Ганни і медалями «За захист Севастополя» і «У пам’ять війни 1853-1856 рр.». Не раз Толстого представляли до нагороди бойовим Георгіївським хрестом. В армії Толстої пише ряд проектів v про переформування артилерійських батарей і створення штуцерних, збройних нарізними рушницями батальйонів.
Восени 1856 р. вийшов у відставку і відправився в піврічну закордонну подорож, відвідавши Францію, Швейцарію, Італію і Німеччину. У 1859 р. Толстой відкрив у Ясній Галявині школу для селянських дітей, а потім допоміг відкрити більш 20 шкіл в околишніх селах. Щоб направити їхня діяльність по вірному, з його погляду, шляху, він видавав педагогічний журнал «Ясна Галявина» (1862).
Вже на початку творчого шляху Толстой стає піднаглядним письменником. Одними з перших добутків письменника стали повести «Дитинство», «Отроцтво» і «Юність».
У 1862 р. він женився на дочці московського лікаря Софії Андріївні Берс.
Письменник працює над романом «Війна і мир» (1863-1869). Завершивши «Війну і світ», Толстой кілька років вивчав матеріали про Петра I і його часу. Однак, написавши кілька глав «петровського» роману, Толстой відмовився від свого задуму. На початку 1870-х рр. письменника знову захопила педагогіка. Багато праці уклав він у створення «Абетки», а потім і «Нової абетки». Тоді ж їм були складені «Книги для читання», куди він уключив багато своїх розповідей.
Навесні 1873 р. Толстой почав роботу над великим романом про сучасність, назвавши його по імені головної героїні — «Анна Кареніна».
Духовна криза, пережитий Товстим наприкінці 1870 — нач. 1880 рр. завершився переломом у його світогляді. У «Сповіді» (1879-1882) письменник говорить про переворот у своїх поглядах, зміст якого він бачив у розриві з ідеологією дворянського класу і переході на сторону «простого трудового народу».
На початку 1880 рр. Толстой переїхав з родиною з Ясної Галявини в Москву, піклуючись про те, щоб дати утворення своїм подраставшим дітям. Толстой взяв участь у перепичи населення, після якої написав трактат «Так що ж нам робити?» (1882-1886). У них письменник зробив основний висновок: «. Так не можна жити, не можна так жити, не можна!».
У ці і наступні роки Толстої пише також релігійно-філософські твори: «Критика догматичного богослов’я», «У чому моя віра?», «З’єднання, переклад і дослідження чотирьох Євангелій», «Царство боже усередині вас». У них письменник не тільки показав зміну у своїх релігійно-моральних поглядах, але і піддав критичному перегляду головні догмати і принципи навчання офіційної церкви.
У середині 1880 рр. Толстой і його однодумці створили в Москві видавництво «Посередник», печатавшее для народу книги і картини. Першим із творів Толстого, надрукованим для «простого» народу, була розповідь «Чим люди живі».
У 1880 р. з’явилися повести Толстого «Смерть Івана Ілліча» і «Холстомер» («Історія коня»), «Крейцерова соната» (1887-1889). У ній, а також у розповіді «Диявол» (1889-1890) і повести «Батько Сергій» (1890-1898) ставляться проблеми любові і шлюбу, чистоти сімейних відносин.
На основі соціального і психологічного контрасту будується повість Толстого «Хазяїн і працівник» (1895), зв’язана стилістично з циклом його народних розповідей, написаних у 80 рр. П’ятьма роками раніше Толстої написав для «домашнього спектаклю» комедію «Плоди освіти».
Всі ці твори письменника об’єднані думкою про неминучій і близькій за часом «розв’язці» соціальних протиріч, про заміну изжившего себе суспільного «порядку». «Яка буде розв’язка, не знаю,- писав Толстой у 1892 р.,- але що справа підходить до їй і що так продовжуватися, у таких формах, життя не може, – я упевнений». Цією ідеєю одухотворене найбільший добуток усієї творчості «пізнього» Толстого — роман «Воскресіння» (1889-1899).
«Воскресіння» став останнім романом у творчості письменника.
На початку 1900 рр. Святійшим Синодом Толстої був відлучений від православної церкви.
В останнє десятиліття життя письменник працював над повістю «Хаджи-Мурат» (1896-1904), у якій прагнув зіставити «два полюси владного абсолютизму» — європейський, що уособлюється Миколою I, і азіатський, що уособлюється Шамілем. У цей же час Толстої створює одну з кращих своїх п’єс — «Живий труп». Гостро пролунала написана в 1908 р. стаття «Не можу мовчати», у якій він протестував проти репресій над учасниками подій 1905-1907 рр. До цього ж періоду відносяться розповіді письменника «Після балу», «За що?».
Тяготячись укладом життя в Ясній Галявині, Толстой не раз збирався і довго не зважувався її покинути. Але жити за принципом «разом нарізно» уже не міг і в ніч на 28 жовтня (10 листопада) таємно залишив Ясну Галявину. По дорозі він занедужав запаленням легень і змушений був зробити зупинку на маленькій станції Астапово (нині Лев Толстой), де і помер. 10(23) листопада 1910 р. письменника поховали в Ясній Галявині, у лісі, на краю яру, де в дитинстві він разом із братом шукав «зелену паличку», хранившую «секрет», як зробити всіх людей щасливими.