Член комиссии по расследованию злодеяний немецких захватчиков (1942). Автор социально-психологических, исторических и научно-фантастических романов, повестей и рассказов, публицистических произведений.

Родился в г. Николаевске Самарской губернии (ныне — г. Пугачев Саратовской области). Отец — граф Николай Александрович Толстой (по отцу приходился дальним родственником Л.Н. Толстому), хотя некоторые биографы приписывают отцовство его неофициальному отчиму — Алексею Аполлоновичу Бострому. Мать — Александра Леонтьевна (Львовна) - детская писательница А. Л. Востром, урождённая Тургенева (двоюродная внучка декабриста Н.И. Тургенева), к моменту рождения А. Н. Толстого ушла от мужа к Бострому А.А. Детские годы будущего писателя прошли в небольшом имении А. А. Бострома на хуторе Сосновка, недалеко от Самары (в настоящее время — пос. Павловка, Красноармейский район). Весной 1905 года, будучи студентом Петербургского технологического института, Алексей Толстой был отправлен на практику на Урал, где более месяца жил в Невьянске. Позднее, в книге «Лучшие путешествия по Среднему Уралу: факты, легенды, предания», Невьянской наклонной башне Толстой посвятил свой самый первый рассказ «Старая башня». В Первую мировую войну — военный корреспондент. Совершил поездку во Францию и Англию (1916). После Октябрьской революции, в 1918—1923 гг., Алексей Толстой находился в эмиграции (Константинополь, Берлин, Париж). В 1927 году принял участие в коллективном романе «Большие пожары», публиковавшемся в журнале «Огонёк».

В трилогии «Хождение по мукам» (1922—1941) стремится представить большевизм имеющим национальную и народную почву, а революцию 1917 года как высшую правду, постигаемую русской интеллигенцией. Исторический роман «Петр I» (кн. 1—3, 1929—1945, не окончен) — возможно, самый известный образец этого жанра в советской литературе, содержит апологию сильной и жестокой реформаторской власти. Произведения Толстого повесть «Аэлита» (1922—1923) и роман «Гиперболоид инженера Гарина» (1925—1927) стали классикой советской научной фантастики. Повесть «Хлеб» (1937), посвящённая обороне Царицына в годы гражданской войны, интересна тем, что в увлекательной художественной форме рассказывает то видение гражданской войны в России, которое бытовало в кругу И. В. Сталина и его соратников и послужило основой для создания сталинского культа личности. Одновременно с этим в повести уделяется подробное внимание описанию воюющих сторон, быта и психологии людей того времени. На Первом съезде писателей (1934) выступил с докладом о драматургии. Был за границей (Германия, Италия — 1932, Германия, Франция, Англия — 1935, Чехословакия — 1935, Англия — 1937, Франция, Испания — 1937). Участник Первого (1935) и Второго (1937) конгрессов писателей в защиту культуры. Один из авторов книги «Канал имени Сталина» (1934). В 1936—1938 годах, после смерти А. М. Горького, А. Н. Толстой возглавлял Союз писателей СССР. Член Комиссии по расследованию злодеяний фашистских оккупантов. Присутствовал на Краснодарском процессе. Один из фактических соавторов знаменитого обращения Молотова-Сталина 1941 года, в котором советские лидеры призывают народ обратиться к опыту великих предков — Александра Невского, Дмитрия Донского, Минина и Пожарского, Суворова и Кутузова. А. Н. Толстой умер 23 февраля 1945 года. Похоронен в Москве на Новодевичьем кладбище (участок № 2). В связи с его смертью был объявлен государственный траур.