Воспитанием Алексея Толстого до 19 лет занимался его дядя — писатель Алексей Перовский (1787-1836), известный под псевдонимом Антоний Погорельский.
В восемь лет Алексей переехал в Петербург, где был представлен наследнику престола, впоследствии императору Александру II, и допущен в круг детей, приходивших к нему по воскресеньям для игр.
В 1834 году он был зачислен в Московский архив Министерства иностранных дел, затем был на дипломатической службе в Германии.
В 1843 году получил звание камер-юнкера.
Литературным творчеством Толстой занимался с раннего возраста: с шести лет писал стихи, рассказы и фантастические повести. В 1840-е годы начал работу над историческим романом «Князь Серебряный» (окончен в 1861 году).
В 1841 году он под псевдонимом «Краснорогский» опубликовал повесть «Упырь», на которую обратил внимание и написал рецензию литературный критик Виссарион Белинский.
В этот период были написаны стихотворения: «Курган», «Ты знаешь край, где все обильем дышит…», «Колокольчики мои», «Благовест», «Где гнутся над омутом лозы», «Дождя отшумевшего капли» и др. Некоторые из них были опубликованы в журнале «Современник».
В 1850-1860-х годах Алексей Толстой вместе с двоюродными братьями Алексеем и Владимиром Жемчужниковыми публиковал в «Современнике», «Свистке» и других журналах сатирические стихи, небольшие пьесы и анекдоты под псевдонимом «Козьма Прутков».
В 1851 году в Александрийском театре была поставлена комедия «Фантазия», написанная Алексеем Толстым совместно с Алексеем Жемчужниковым.
В мае 1851 года Толстому было присвоено звание церемониймейстера двора.
Во время Крымской войны, в 1855 году, Алексей Толстой хотел вступить в ряды ополчения, но не смог из-за болезни. В 1856 году, во время коронации, Александр II назначил Толстого флигель-адъютантом, а затем, когда Толстой не захотел продолжить военную службу, егермейстером.
В 1861 году принял окончательное решение уйти в отставкус государственной службы и полностью посвятить свое время литературной деятельности.
С 1861 по 1871 год были изданы наиболее значительные произведения Алексея Толстого: драматическая поэма «Дон Жуан» (1862), исторический роман «Князь Серебряный» (1863), баллады «Садко», «Роман Галицкий» и др. В эти годы была опубликована трилогия, включающая в себя трагедии «Смерть Иоанна Грозного» (1866), «Царь Федор Иванович» (1868) и «Царь Борис» (1870).
После выхода в отставку жил в своих имениях, уделяя мало внимания хозяйству, и постепенно разорился. Последние годы жизни тяжело болел.
10 октября (28 сентября по старому стилю) 1875 года Алесей Толстой скончался, был похоронен в имении Красный Рог Черниговской губернии (сейчас Брянская область).
3 сентября 1967 года в усадьбе Алексея Толстого в Красном Роге был открыт музей , в котором ежегодно проводится Всероссийский праздник поэзии «Серебряная лира».