تولستوی نهم سپتامبر 1828 میلادی در خانوادهای از بزرگان و با پیشینهٔ بسیار کهن در یاسنایا پالیانا (160کیلومتری جنوب مسکو) زاده شد. تولستوی ها یک خانواده معروف از اشراف قدیمی روسی بودند. پدر او، کنت گراف نیکلای ایلیچ تولستوی و مادرش، شاهزاده خانم ماریا نیکلایونا والکونسکایا بود. مادرش را در دو سالگی و پدرش را در نه سالگی از دست داد و پس از آن سرپرست او عمهاش تاتیانا بود.
او در سال 1844 در رشتهٔ زبانهای شرقی در دانشگاه قازان نامنویسی کرد، ولی پس از سه سال، در تاریخ 1846 از آن رشته به رشته حقوق رفت. تا با کسب دانش وکالت به زندگی نابسامان 350 نفر کشاورز روزمزد که پس از مرگ پدر و مادرش به او واگذار شده بودند، رسیدگی کند و با بهبود کشاورزی خود به رنج آنان پایان دهد.
او در سال 1847 میلادی دانشکده حقوق را رها میکند و به زادگاهش بازمیگردد. سال 1851 تولستوی در ارتش نامنویسی میکند و به مأموریت قفقاز که در آن زمان تازه به دست روسها افتاده بود میرود. تولستوی هنگام خدمت در ارتش تزار، نوشتن به صورت حرفهای را آغاز میکند. در سال 1856 از ارتش کنارهگیری میکند و به زادگاه خود بازمیگردد.
لئو با نگاه ویژهای که به آموزش و پرورش کودکان و نوجوانان داشت، در سال 1857 پنج سال از کشورهای اروپای غربی و با چهرههای سرشناس اروپا مانند: چارلز دیکنز، ایوان تورگنیف، فریدریش فروبل و آدلف دیستروِگ، دیدار کرد. پس از بازگشت به کشورش، براساس تجارب نو آموخته، دست به یک رشته نوآوریهای آموزشی زد و در همین راستا به پیروی از ژان ژاک روسو، به پایهریزی دبستان در روستاها پرداخت. او در سال 1859 دبستانی برای کودکان و دهقانزادگان زادگاه خود، یاسنایا پالیانا، میسازد.
تولستوی در سال 1862 با دختر هجده سالهای به نام سوفیا آندره یِونا برس ازدواج کرد و رمانهای جاودانهای به نام «جنگ و صلح» و «آنا کارنینا» را نوشته و منتشر ساخت. پشتیبانی همسر جوانش از کارهای ادبی تولستوی که به روایتی 1400 صفحه از پیشنویس جنگ و صلح را بیش از هفت بار پاکنویس کردهاست، بسیار ارزشمند است. آنها با یکدیگر 13 فرزند داشتند که 4 تا از آنها در کودکی مردند.
رمان «جنگ و صلح» که نوشتن آن شش سال زمان برد، واقعیتهای جامعه روسیه را در قرن نوزدهم به خوبی روشن میکند و در آن بیش از 580 شخصیت به خوبی بازگو شدهاند. این شاهکار تولستوی یکی از برترین منابع پژوهش در تاریخ سیاسی و اجتماعی قرن نوزدهم روسیه است. همچنین حماسهٔ ایستادگی روسها را در برابر حملهٔ ناپلئون بازگو میکند.
اما به گفته خود تولستوی «آناکارنینا» اولین رمان واقعی او و یک داستان حماسی منثور است. این رمان داستانی پرفراز و فرود از عشق و سرخوردگی و شکست دارد.
تولستوی، در اوج سرشناسی، دچار سرگشتگی و ناامید از بهبود وضعیت جامعه شد و در مرز نابودی فکری و شکست روانی قرار گرفت. او بهعنوان عضوی از اداره کل آمار و سرشماری در مسکو در سال 1882 میلادی با فقر روزافزون کارگران که در برابر محرومیت روستاییان گستردهتر بود، آشنا شد. او برای کمکرسانی به کشاورزان و پیشگیری از مهاجرت گروهی آنان به شهرها، دست به ایجاد سازمانی زد که پشتیبانی از آنها را در دستور کار خود گذاشت. او خود نیز با ترک سیگار و الکل و کنارهگیری از سرگرمیهای ویژه مانند شکار جانوران، همدردی خود را نشان داد.
از جمله کارهای اجتماعی تولستوی، پشتیبانی از زندانیان سیاسی، دینی و سربازان فراری بود. از سال 1881 میلادی به بعد، با بررسیها و پژوهشهای بیشتر در زمینه دینهای گوناگون، گرایش و وابستگیهای دینی وی نیز بیشتر شد و از همین رو به ترجمه دوبارهٔ انجیل به زبان روسی دست زد.
شهرت تولستوی هرچه بیشتر در خارج از روسیه وسعت مییافت، به همان نسبت نیز در داخل روسیه مورد لعن و انزجار دستگاههای دولتی و مراجع ارتودوکس قرار میگرفت. نوشتههایش پیش از انتشار توقیف و شایعه روانی بودن او به سرعت پراکنده میشد. انتشار رمان رستاخیز بهانهای بود در دست مرجع عالی کلیسای ارتدکس، تا در تاریخ 1901 میلادی به دلایلی نظیر تکذیب وحدت تثلیث تولستوی و تکذیب رستاخیز مسیح تولستوی را بهعنوان مرتد معرفی نماید.
علاوه بر فشارهای حکومت، سختگیریهای پلیس تزاری و ضبط پیشنویس رمانهایش، مشکلات خانوادگی هم مزید بر آن شد. تولستوی، در آخرین روزهای حیات خود، بهاتفاق پزشکِ خانوادگی و دختر کوچکش، همسر خود را ترک و بهسوی جنوب روسیه سفر کرد. این آخرین سفر تولستوی در تاریخ بیستم نوامبر 1910 در ایستگاه راهآهن آستاپوفو به پایان رسید و دو روز بعد، در زادگاهش به خاک سپرده شد.
علاوه بر کتاب های تولستوی، صدای او نیز در 2 الی 3 سال پایانی زندگی پرثمرش، ماندگار شد. توماس ادیسون در ژانویه 1908 یک دستگاه ضبط صدای گرامافون به تولستوی هدیه کرد و از او درخواست کرد صدای خود را به زبانهای مختلف روی استوانههای مومی ضبط کرده و برای او بفرستند. تولستوی از ادیسون تشکر کرد و علاوه بر اجابت درخواست وی و ضبط صدای خود به زبانهای انگلیسی، آلمانی، فرانسه و روسی، که تعدای از آنها موجود است، گاهی به جای نامهنگاری با دوستان یا برای ثبت افکار و نظراتش، صدای خود را ضبط میکرد.