Родился 28 августа (9 сентября) 1828 г. в Тульской губернии, в имении Ясная Поляна. Отец — граф Н. И. Толстой, участник Отечественной войны 1812 г., мать — княгиня М. Н. Волконская. Толстой рано потерял родителей и воспитывался тетей Т. А. Ергольской.

Получив домашнее образование, поступил в Казанский университет, который оставил после второго курса и, поддавшись уговорам старшего брата Николая, осенью 1851 г. уехал на Кавказ юнкером артиллерийской бригады.

За два года, проведенные там, им была написана автобиографическая повесть «Детство» — первое печатное произведение (опубликована под инициалами Л. Н. в журнале «Современник» в 1852 г.), которая вместе с появившимися позднее повестями «Отрочество» (1852—1854) и «Юность» (1855—1857), входила в замысел автобиографического романа «Четыре эпохи развития» (последняя часть — «Молодость» — так и не была написана).

Вскоре после начала Крымской войны Толстого по его личной просьбе перевели в Севастополь. Тут был написан (и опубликован в «Современнике» в 1855—1856 гг.) ряд очерков, получивших название «Севастопольские рассказы», произведший огромное впечатление на русское общество почти репортажной достоверностью и одновременно — резким, нескрываемым неприятием войны. Один из очерков даже удостоился личной похвалы императора Николая I.

В 1855 г. Толстой приехал в Петербург, сблизился с сотрудниками «Современника», познакомился с Н. А. Некрасовым, И. С. Тургеневым, И. А. Гончаровым, Н. Г. Чернышевским и др. В период с 1856 по 1859 гг. Толстой искал себя в литературной среде, пытался утвердить свою творческую позицию.

Неудовлетворенный творчеством и разочарованный в светском и литературном кругах, Толстой на рубеже 60-х годов решил оставить литературу, вернулся в Ясную Поляну и посвятил себя просветительской деятельности: создал школу для крестьянских детей, изучал педагогику в России и за рубежом, издавал педагогический журнал «Ясная Поляна», позднее (1871—1875) написал «Азбуку» и «Новую азбуку».

В 1862 г. Толстой женился на С. А. Берс и патриархально жил в своей усадьбе как глава большой семьи. Выход из духовного кризиса нации он видел, прежде всего, в сближении с народом, его интересами, нуждами, а также в обращении к истории для понимания современности.

В 60—70-е годы Толстой создал два самых значимых своих произведения — роман-эпопею «Война и мир» (1863—1869) и роман «Анна Каренина» (1873— 1877). Но в 80-х годах он охладел к литературной работе и даже осуждал ее как «барскую забаву».

Новые, философско-религиозные произведения: «Исповедь», «Исследование догматического богословия» (1879—1880), «Соединение и перевод четырех Евангелий» (1880—1881), «В чем моя вера?» (1882—1884), выражают его новое мировосприятие — отвержение высших слоев общества, государственности, казенной церкви, бюрократии и крепостного права, и вместе с тем — непротивление злу насилием, идеи вселенской любви и всепрощения.

Художественное творчество писателя пропиталось публицистикой, прямыми обличениями неправого суда и современного брака, землевладения и церкви, страстными обращениями к совести, разуму и достоинству людей. В этот период он создал повести «Смерть Ивана Ильича» (1884-1886), «Крейцерова соната» (1887-1889), «Дьявол» (1889-1890), драматические произведения «Власть тьмы» (1886) и «Плоды просвещения» (1886— 1890), цикл т. н. «народных рассказов», трактат «Что такое искусство?» (1897— 98) и, конечно, роман «Воскресение» (1889—1899).

На рубеже веков основной для творчества Толстого темой становится сюжет «ухода», резкого и коренного перелома в жизни («Отец Сергий», 1890— 1998 гг.; «Хаджи-Мурат» 1896—1904 гг.; «Живой труп», 1900 г.; «После бала», 1903 г.; «Посмертные записки старца Федора Кузмича...», 1905 г. и др.).

В последнее десятилетие жизни Толстой был признанным главой русской литературы, поддерживал В. Г. Короленко, А. П. Чехова, М. Горького.

28 октября (10 ноября) 1910 г. он тайно ушел из дома, по дороге заболел и умер на станции Астапово Рязанско-Уральской железной дороги.