Алексей Николаевич Толстой родился 29 декабря 1882 года (10 января 1883 года по новому стилю) в городе Николаевске Самарской губернии (ныне город Пугачев в Саратовской области). Его отцом был граф Николай Александрович Толстой, который, согласно некоторым биографам, был дальним родственником Льва Николаевича Толстого. Однако есть предположение, что его отцом был неофициальный отчим Алексей Аполлонович Бостром. Мать Алексея, Александра Леонтьевна (Львовна), была детской писательницей, родившейся Тургеневой и двоюродной внучкой декабриста Николая Тургенева. К моменту рождения Алексея Толстого его мать ушла от отца и начала отношения с Бостромом.

Детство будущего писателя прошло на небольшом имении Бострома в хуторе Сосновка, недалеко от Самары (в настоящее время поселок Павловка, Красноармейский район). Весной 1905 года, будучи студентом Петербургского технологического института, Алексей Толстой был отправлен на практику на Урал, где он прожил более месяца в Невьянске. Позднее, он посвятил свой первый рассказ “Старая башня” Невьянской наклонной башне в книге “Лучшие путешествия по Среднему Уралу: факты, легенды, предания”.

Во время Первой мировой войны Алексей Толстой служил военным корреспондентом. Он совершил поездку во Францию и Англию в 1916 году. После Октябрьской революции он находился в эмиграции с 1918 по 1923 годы, проживая в Константинополе, Берлине и Париже.

В 1927 году Алексей Толстой принял участие в коллективном романе “Большие пожары”, опубликованном в журнале “Огонек”. В своей трилогии “Хождение по мукам” (1922-1941) он стремился представить большевизм как национальную и народную идею, а революцию 1917 года – как высшую правду, постигаемую русской интеллигенцией. Его исторический роман “Петр I” (книги 1-3, 1929-1945 годы, оставшийся незавершенным) стал одним из самых известных произведений этого жанра в советской литературе и содержал апологию сильной и жестокой реформаторской власти.

Один из авторов книги «Канал имени Сталина» (1934). В 1936—1938 годах, после смерти А. М. Горького, А. Н. Толстой возглавлял Союз писателей СССР.