Родился в 1969 году в Москве.
В 1993 году окончил международное отделение факультета журналистики МГУ.
С 1987 по 1989 годы проходил срочную воинскую службу в рядах Советской Армии.
С 1992 по 1994 работал в московском корпункте французской газеты «Монд». С 1994 по 1996 — корреспондент московского бюро информационного агентства «Франс Пресс».
С 1996 года начал работу на телевидении.
С октября 1996 по сентябрь 2002 года являлся заместителем главного редактора телекомпании «ВИD». Также являлся продюсером программы «Скандалы недели», руководителем службы информационного обеспечения телекомпании «ВИD».
С октября 1997 года по ноябрь 2001 года Толстой вел программу «Скандалы недели» (с лета 2001 года название программы было изменено на «Скандалы…», а с осени 2001 года — «Нравы») на телеканале ТВ-6.
С октября 1998 года по август 1999 года также вёл программу «В мире людей» на том же телеканале. Прекратил сотрудничество с ТВ-6 незадолго до отключения телеканала в январе 2002 года.
В 2002-2008 годах работал на «Третьем канале» (ЗАО ТРВК «Московия»), перешёл по приглашению Андрея Писарева. С октября 2002 по август 2005 года вёл субботнюю аналитическую программу «Выводы». С марта 2004 года — главный редактор «Третьего канала», с июля 2004 года генеральный директор «Третьего канала». Проработал в ТРВК «Московия» до середины 2008 года.
С 28 августа 2005 года по 8 июля 2012 года — ведущий информационно-аналитической программы «Первого канала» «Воскресное время».
В 2007 году стал лауреатом главной телевизионной премии ТЭФИ, академик Академии телевидения. Преподавал журналистику в МГУ и Высшей школе телевидения.
В 2008 году перешёл работать в штат ОАО «Первый канал»
В 2009-2016 годах — заместитель директора Дирекции социальных и публицистических программ «Первого канала»
С 2009 по 2010 год вёл социальное ток-шоу по борьбе с алкоголизмом «Проект „Общее дело“» на том же канале.
Попутно, в период 2011—2012 годов, Толстой вел предвыборные теледебаты кандидатов в депутаты Государственной Думы и Президента России. Вел эфир «Первого канала» после выборов 4 марта 2012 года в паре с Александром Гордоном.
С 2012 по 2014 гг. являлся членом Общественной палаты Российской Федерации.
С 11 апреля 2013 года по 29 июня 2016 года — ведущий общественно-политического ток-шоу «Политика» на «Первом канале». 29 сентября 2013 года был одним из основных ведущих благотворительного телемарафона «Всем миром», посвящённого помощи пострадавшим от наводнения на Дальнем Востоке.
В 2016 году был избран депутатом Государственной Думы Российской Федерации от Люблинского одномандатного избирательного округа Москвы, был избран на должность заместителя Председателя Государственной Думы. Также возглавляет российские парламентские делегации в ПАСЕ и ПА ОБСЕ, избран заместителем Председателя ПАСЕ.
С 15 сентября 2014 года по 7 июля 2016 года вёл политическое ток-шоу на том же телеканале — «Время покажет». С 12 октября по 14 декабря 2014 года и с 7 октября 2018 по 30 июня 2019 года — ведущий программы «Толстой. Воскресенье» на «Первом канале», в 2014 году выходившей как ток-шоу, а в 2018—2019 годах — как итоговая информационно-аналитическая программа с элементами ток-шоу.
С сентября 2016 года по сентябрь 2018 года не работал на ТВ в связи с избранием депутатом Государственной Думы седьмого созыва. Вернувшись на телевидение на один телесезон, продолжил деятельность депутата Государственной Думы.
В 2021 году заявил о желании повторно избираться в Государственную Думу, зарегистрирован для участия в предварительном голосовании «Единой России»
Заместитель Председателя Парламентской ассамблеи Совета Европы. Глава Делегации Федерального Собрания Российской Федерации в Парламентской ассамблее Совета Европы.
Женат, имеет троих детей.