Régi orosz arisztokrata család negyedik gyermekeként született 1828. szeptember 9-én Jasznaja Poljanában. A birtok később az író lakhelye lett, itt élt mintegy 65 éven át. 11 évesen a családjával Moszkvába költöztek, hogy a gyermekek megfelelő taníttatásban részesülhessenek. Tolsztoj a Kazanyi Egyetemen keleti nyelveket és jogot tanult, később a Pétervári Egyetem hallgatója is volt, de diplomát sosem szerzett.
1851-ben belépett a hadseregbe, itt írta meg első regényét, a Gyermekkort. Zászlósként vett részt a krími háborúban, átélte Szevasztopol ostromát, melyben az oroszok elvesztették a várost a török, francia, angol csapatokkal szemben. A háborút és az orosz katonát örökíti meg a Szevasztopoli elbeszélések című alkotásában.
Szevasztopol eleste után otthagyta a hadsereget, egy ideig Péterváron valamint a régi családi birtokon élt, majd külföldi tanulmányutjain Svájcba, Németországba és Franciaországba utazott, felkereste azokat a helyeket, ahol Rousseau élt. Egy későbbi, második nyugat-európai utazása során találkozott Charles Dickensszel, és Londonban meghallgatta az angol író nevelésről szóló előadását. Jasznaja Poljanai birtokán őmaga is iskolát működtetett a környék gyerekei számára. Pedagógiai nézetei különösek voltak: az iskolájában nem volt osztályzás, nem volt kötelező házi feladat és nem volt kötelező járni. Állítólag néha alig lehetett hazazavarni a gyerekeket.
Legismertebb művei:
Gyermekkor (1852)
Kamaszkor (1854)
Szevasztopoli elbeszélések (1855-1856)
Szevasztopol december havában
Szevasztopol májusban
Szevasztopol 1855 augusztusában
Ifjúság (1857)
Három halott (1859)
Polikuska (1861)
Kozákok (1863)
Háború és béke (1863-1869)
Anna Karenina (1873-1877)
Ivan Iljics halála (1886)
A sötétség hatalma (1886)
A Kreutzer-szonáta (1889)
Feltámadás (1889-1899)
34 évesen nősült, a tizennyolc éves, német származású Szofja Andrejevna Berszet vette el, aki később 15 gyermekkel ajándékozta meg Tolsztojt. A házassága utáni időszak volt az író számára a legtermékenyebb korszak. Ekkor írta a Háború és békét, mely folytatásokban négy éven keresztül került kiadásra. Ezt követte az Anna Karenina megszületése 1873-1877 között. 1881-től a vallási kérdések felé fordult, újra lefordította oroszra az evangéliumokat. Különc erkölcsi, vallási és politikai szemlélete miatt házassága megromlott, később a társadalmi előítéletekkel is meg kellett küzdenie. Hitről szóló írásait betiltották, rendőri megfigyelés alá helyezték, és azt terjesztették róla, hogy megháborodott. 1891-ben a Jasznaja Poljanai birtokát a családja felosztotta, mintha Tolsztoj már nem is élne. Az író ugyanekkor egy nyilatkozatot tett közzé, amelyben lemond 1881 után írt alkotásainak kiadási jogairól s feljogosít mindenkit Oroszországban és külföldön, hogy ellenszolgáltatás nélkül kiadja vagy színpadra vigye valamennyi művét akár oroszul, akár fordításban.
1889-től harmadik nagy regényén, a Feltámadáson dolgozott. Ebben az erkölcsi felemelkedés lehetőségét és a szellemi megtisztulást mutatta be. A könyv megjelenése után az írót kiközösítették. Ez 1901-ben történt. Nem sokkal később súlyos tüdőgyulladást kapott. Beteg ágyánál Gorkij és Csehov látogatta sűrűn. 1910-ben szintén tüdőgyulladás okozta a halálát. Október végén orvosa és legkisebb lánya társaságában titokban menekült otthonról, az asztapovói vasútállomáson le kellett szállnia, mivel rosszul lett. Az állomásfőnök lakásán hunyt el tüdőgyulladásban november 7-én.