Родился в городе Николаевске Самарской губернии. Был воспитан отчимом А.Бостромом, к которому ушла мать А.Толстого, женщина образованная и не чуждая писательству. Первоначальное образование получил дома под руководством приглашенного учителя. В 1897 семья переехала в Самару, где будущий писатель поступил в реальное училище. Окончив его в 1901, уехал в Петербург, чтобы продолжать образование. Поступил на отделение механики Технологического института.
В 1902 г., будучи студентом-практикантом 2 курса механического отделения Петербургского технологического института, посетил Елабугу, направляясь в поселок Сюгинский на стекольный завод Сергея Александровича Шишкова, где ему предстояло изучать стекольное производство. Придет время, и впечатления, полученные в Елабуге, найдут свое художественное отражение в романе «Хромой барин» (1912) и комедии «Касатка» (1916). В 1908 написал книгу стихов “За синими реками” – результат первого знакомства с русским фольклором. К этому времени относятся и первые прозаические опыты.
Первая мировая война изменила планы Толстого. Как военный корреспондент от «Русских ведомостей» он находился на фронтах, побывал в Англии и Франции. Написал ряд очерков и рассказов о войне. События Февральской революции вызвали его интерес к проблемам русской государственности, что побудило писателя заняться историей петровских времен. Много времени уделял он работе с архивами, стремясь открыть подлинную действительность того времени, образы Петра I и его окружения.
Октябрьскую революцию Толстой воспринял враждебно. Осенью 1918 он становится эмигрантом. В 1923 Толстой возвратился в СССР. Среди написанного после возвращения выделяется прежде всего трилогия “Хождение по мукам” (“Сестры”, “Восемнадцатый год”, 1927-28; “Хмурое утро”, 1940-41). К трилогии тематически примыкает повесть “Хлеб” (1937). В 1925-1927 появился научно-фантастический роман “Гиперболоид инженера Гарина”. В 1936-1938 годах, после смерти А.М. Горького, А. Н. Толстой возглавлял Союз писателей СССР.
Значительным достижением А. Толстого стал его исторический роман “Петр I”, над которым он работал в течение шестнадцати лет и который так и не успел закончить.
Во время Великой Отечественной войны Алексей Толстой пишет около 60 публицистических материалов, начиная с первых дней войны и до самой своей смерти в конце зимы 1945 года. Самым известным произведением Алексея Толстого о войне считается очерк «Родина», создает драматическую дилогию “Иван Грозный” (1941-1943).
Тяжелая болезнь не дала ему дожить до Дня Победы. Он умер 23 февраля 1945 в Москве.
