Писатель, общественный деятель, граф Алексей Николаевич Толстой родился 10 января 1883 года (29 декабря 1882 года по старому стилю) в городе Николаевск (ныне Пугачев) Саратовской области.
Сын графа Николая Толстого (1849-1900) и детской писательницы Александры Бостром (урожденная Тургенева, 1854-1906). Воспитывался в семье отчима Алексея Бострома.
Получил домашнее начальное образование.
В 1897 году семья переехала в Самару, где он поступил в училище. После его окончания в 1901 году уехал в Санкт-Петербург и поступил в Технологический институт (ныне Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)) на отделение механики.
В 1905 году дебютировал как поэт. Первая книга (сборник "Лирика") вышла в 1907 году.
В 1908 году был опубликован первый рассказ "Старая башня", в 1911 году — книга стихов "За синими реками".
Известность писателю принесли реалистические рассказы и повести из жизни разоряющегося поместного дворянства, цикл "Заволжье" (1909-1911) и примыкающие к ним романы "Чудаки" (первоначально назывался "Две жизни", 1911), "Хромой барин" (1912).
С 1914 по 1916 год работал военным корреспондентом газеты "Русские ведомости". В этот период был опубликован ряд произведений: рассказы "На горе" (1915) и "Прекрасная дама" (1916), пьесы "Касатка" (1916), "Нечистая сила" (1916), "Мракобесы" (1917) и другие.
В 1919 году эмигрировал во Францию, с 1921 года жил в Германии.
В эмиграции были написаны роман "Хождение по мукам" ("Сестры"), впоследствии ставший первой книгой известной трилогии с одноименным названием, повесть "Детство Никиты", повесть "Лунная сырость" ("Граф Калиостро") и фантастический роман "Аэлита". Работал в периодических изданиях, редактировал литературное приложение к сменовеховской газете "Накануне".
В 1923 году вернулся в СССР. В 1920-х годах опубликовал пьесу "Бунт машин" (1924), рассказы "Черная пятница", "Мираж" (оба 1924), "Голубые города" (1925), романы "Похождения Невзорова, или Ибикус" (1924-1925), "Гиперболоид инженера Гарина" (1925-1927) и др.
В 1936 году написал повесть "Золотой ключик, или Приключения Буратино" по мотивам произведения итальянского писателя Карло Коллоди "Приключения Пиноккио". Книга вошла в Золотой фонд отечественной детской литературы.
С 1936 года по 1938 год Толстой возглавлял Союз писателей СССР.
В 1938 году был утвержден членом Ученого совета Института мировой литературы им. Горького (ИМЛИ) Академии наук. Принимал участие в работе редакционных коллегий сборника исследований о жизни и творчестве Михаила Лермонтова, по академическому изданию собрания сочинений Льва Толстого, был главой редколлегии "Полного свода фольклора народов СССР". Академик Академии наук СССР (1939).
В годы Великой Отечественной войны (1941-1945) Толстой выезжал на фронт, активно печатался в газетах "Правда", "Красная Звезда", журнале "Красноармеец".
В течение шестнадцати лет Алексей Толстой работал над историческим романом "Петр I", в 1941-1943 годах была написана драматургическая дилогия "Иван Грозный".
Алексей Толстой был лауреатом Грибоедовской премии (1915), трижды лауреатом Сталинской премии (1941, 1943, 1946 — посмертно). Был награжден орденом Ленина, орденами "Знак Почета" и Трудового Красного Знамени.
23 февраля 1945 года Алексей Толстой скончался. Похоронен на Новодевичьем кладбище.
Был женат четыре раза, имел троих детей.
С 1945 по 1991 год улица Спиридоновка, на которой жил писатель, называлась улица Алексея Толстого.
3 июля 1957 года в Москве, на пересечении Большой и Малой Никитской улицы, был установлен памятник писателю.
20 октября 1987 года в Москве был открыт мемориальный музей-квартира Алексея Толстого.