Окончил школу № 1231 на Арбате.
Проходил службу в рядах Советской Армии на территории ЗАТО Пенза-19.
В 1993 году окончил международное отделение факультета журналистики МГУ.
С 1992 по 1994 год работал в московском корпункте французской газеты «Монд».
С 1994 по 1996 — корреспондент московского бюро информационного агентства "Франс Пресс".
На телевидении — с 1996 года. С октября 1996 по сентябрь 2002 года являлся заместителем главного редактора телекомпании «ВИD». Также был продюсером программы «Скандалы недели», руководил службой информационного обеспечения телекомпании «ВИD».
С октября 1997 года по ноябрь 2001 года вёл программу «Скандалы недели» и с октября 1998 года по август 1999 года программу «В мире людей» на телеканале ТВ-6.
В 2002-2008 годах работал на «Третьем канале» (ЗАО ТРВК «Московия»). С октября 2002 по август 2005 года вёл субботнюю аналитическую программу «Выводы». С марта 2004 года — главный редактор, а с июля 2004 года генеральный директор «Третьего канала».
С 2005 по 2012 год был ведущим информационно-аналитической программы «Первого канала» «Воскресное время».
В 2009-2016 годах — заместитель директора Дирекции социальных и публицистических программ «Первого канала».
С 2009 года вёл социальное ток-шоу по борьбе с алкоголизмом «Проект „Общее дело"» на том же канале в паре с Марией Шукшиной.
В период 2011-2012 годов вёл предвыборные теледебаты кандидатов в депутаты Государственной Думы и президента России. Также вёл эфир «Первого канала» после выборов 4 марта 2012 года.
С апреля 2013 года вел общественно-политическое ток-шоу «Политика» в паре с Александром Гордоном (впоследствии единолично) на «Первом канале».
В сентябре 2013 года был одним из основных ведущих благотворительного телемарафона «Всем миром», посвящённого помощи пострадавшим от наводнения на Дальнем Востоке.
С сентября 2014 года вёл политическое ток-шоу «Время покажет» в паре с Екатериной Стриженовой.
С октября по декабрь 2014 года и с октября 2018 по июнь 2019 года — ведущий программы «Толстой. Воскресенье» на «Первом канале».
С сентября 2016 года по сентябрь 2018 года не работал на телевидении в связи с избранием депутатом Государственной Думы седьмого созыва. Вернувшись на телевидение на один телесезон, продолжил деятельность депутата Государственной Думы.
В феврале 2016 года был избран в руководящий орган партии «Единая Россия» — Высший совет.
Тогда же в СМИ появилась информация о возможном участии Толстого в предварительном голосовании партии «Единая Россия». В ходе предварительных подсчётов голосования Толстой набрал 75,8% голосов и занял первое место по 199-му одномандатному административному округу, в несколько раз обогнав своих конкурентов.
Летом 2016 года стал сопредседателем совета сторонников партии «Единая Россия», также войдя в предвыборный штаб партии.
По итогам выборов 18 сентября 2016 года одержал победу в Люблинском одномандатном избирательном округе № 199 (Москва) и стал депутатом Государственной Думы Федерального собрания Российской Федерации VII созыва. По состоянию на декабрь 2019 года выступил соавтором 58 законодательных инициатив и поправок к проектам федеральных законов.
В октябре 2016 года на первом пленарном заседании был избран заместителем председателя Государственной Думы.
В январе 2017 года избран руководителем делегации России в Парламентской ассамблее организации по безопасности и сотрудничеству в Европе.
В июле 2017 года назначен руководителем наблюдательного совета создаваемой АНО «Парламентское телевидение Государственной Думы Федерального собрания РФ».
Вместе с депутатом Леонидом Левиным и сенаторами Андреем Клишасом и Людмилой Боковой стал автором поправок, предполагающих признание физического лица иностранным агентом при распространении им материалов для неограниченного круга лиц и получении иностранного финансирования.
Включён Украиной в санкционный список за позицию по войне на востоке Украины и присоединению Крыма к России.
В январе 2020 Толстого избрали вице-спикером Парламентской ассамблеи Совета Европы (ПАСЕ). За его кандидатуру проголосовали 132 парламентария, против — 117.