Régi arisztokrata családból származott, korán árvaságra jutott, testvéreivel rokonoknál nevelkedett. 1841-ben Kazanyban kezdte meg végül soha be nem fejezett egyetemi tanulmányait, keleti nyelveket, majd jogot tanult.

1847-ben Jasznaja Poljanában gazdálkodni kezdett, majd Moszkvában és Szentpétervárott folytatta jogi tanulmányait. Első irodalmi zsengéi is ebből az időből származnak. 1852-55-ben katonáskodott, s megírta életrajzi trilógiáját. 1856-ban külföldi tanulmányúton járt, mezőgazdasági és pedagógiai ismereteit gyarapította, s visszatérve Jasznaja Poljanába, iskolát szervezett a parasztgyerekek számára. Londoni útja után a csendőrség titkos nyomdát gyanított nála, iskoláját bezáratták, betiltották pedagógiai folyóiratát. E válságból a házasság jelentett kiutat, 1862-ben feleségül vette Szofja Andrejevna Berszet, akitől tizenhárom gyermeke született.

A belső megnyugvás gyümölcse lett a hat évig készült Háború és béke, az 1805-20 közötti Oroszország monumentális történelmi tablója, amelyet számtalanszor feldolgozták, készült belőle dráma, opera, balett, film. A nagyregény után a parasztgyerekek számára állított össze Ábécéskönyvet és Olvasókönyvet.
1873-77 között készült el a lázadó nő témájának egyik leggyönyörűbb és legtragikusabb megfogalmazása, az Anna Karenina.

Az 1880-as évek elején azonban az élet értelmét és Istent kereső író mélyülő válságot élt át az egyre szaporodó családi viták miatt. Ekkor kristályosodott ki Tolsztoj sajátos hitvallása: az egyház merev és képmutató, Jézusból csak emberi voltát és tanításait fogadta el, s megalkotta a négy evangéliumból saját, "ésszerű" változatát, amely Tolsztoj evangéliuma néven vonult be a köztudatba, hamarosan követői is támadtak. A pravoszláv egyház nem nézte jó szemmel tevékenységét, 1901-ben ki is közösítette "eretnek" kereszténységéért.
Társadalmi és írói tevékenysége aktívabb lett: járta a nyomornegyedeket, kiadót alapított a népművelés szolgálatára, megírta az Ivan Iljics halálát és a Kreutzer szonátát. Családjával folytatott harca állandósult, főként amikor a köz javára lemondott birtokáról, összes vagyonáról s a szerzői jogdíjakról. Újabb válság és újabb nagyregény, a Feltámadás ezen időszak terméke.

Életének utolsó évtizedében főleg erkölcsi és közéleti problémák foglalták le energiáját. Feleségével folytatott veszekedéseik azonban egyre kilátástalanabbá váltak, így jutott arra az elhatározásra, hogy szakít addigi életvitelével, és elutazik a Dél-Oroszországban élő tolsztojánusokhoz.

Lopva, éjnek idején hagyta el Jasznaja Poljanát, az egykori idill helyszínét, útközben azonban megbetegedett, és az asztapovói állomásfőnök szerény szobájában halt meg 1910. november 20-án.