Алексей Константинович Толстой родился 24 августа (5 сентября н.с.) 1817 г. в Петербурге в знатной дворянской семье. Анна Алексеевна Перовская, мать писателя, разошлась с мужем сразу после рождения ребёнка по неизвестным причинам. Вместо отца Алексея воспитывал дядя по матери А.А. Перовский, известный писатель, печатавшийся под псевдонимом Антоний Погорельский.
Раннее детство Алексей провёл на Украине, в имении дяди. С 10-летнего возраста мальчика возили за границу, путешествие по Италии 1831 г. он описал в дневнике. Толстой принадлежал к детскому окружению наследника престола, будущего Александра II.
В 1834 г. Алексея Толстого определили "студентом" в московский архив Министерства иностранных дел. С 1837 г. он служил в русской миссии в Германии,  в  1840 г.  получил  службу  в  Петербурге  при  царском  дворе,    в 1843 г. - придворное звание камер-юнкера. В конце 1830-х - начале 1840-х годов написаны (на французском языке) два фантастических рассказа - "Семья вурдалака" и "Встреча через триста лет". В мае 1841 г. Толстой впервые выступил в печати, издав отдельной книгой, под псевдонимом "Краснорогский" (от названия имения Красный Рог), фантастическую повесть "Упырь". Весьма благожелательно отозвался о повести В.Г. Белинский, увидевший в ней "все признаки ещё слишком молодого, но, тем не менее, замечательного дарования".
Много ездил по России. В 1840-е начал работать над историческим романом "Князь Серебряный". Окончил его в 1861 г. В этот же период написал ряд баллад и лирических стихотворений.
В 1854 г. вместе со своими двоюродными братьями Жемчужниковыми создал сатирическую литературную маску Козьмы Пруткова и сборник его сочинений.
Во время Крымской войны Толстой поступил на военную службу и был назначен флигель-адъютантом. Однако не испытывая особой тяги к службе, в 1861г. подал в отставку и поселился в своем имении под Петербургом. В 1866-1870 гг. опубликовал историческую трилогию, включавшую трагедии "Смерть Иоанна Грозного", "Царь Фёдор Иоаннович", "Царь Борис". В эти же годы много времени проводил в Европе (Италия, Германия, Франция, Англия). Печатался в журналах "Современник", "Русский вестник", "Вестник Европы" и др. Сборник его стихотворений вышел в 1867 г.
Последние годы жизни А.К. Толстой тяжело страдал от расстройства нервов. И когда тяжело больной, задыхающийся от астмы, он не мог уже больше бродить по лесам, лес "приходил" к нему домой: в его комнатах в кадках с водой стояли свежесрубленные сосенки. Среди них он и умер в 58 лет 28 сентября 1875 г. во время очередного сильнейшего приступа головной боли.
В 1898 г. постановкой драмы А.К. Толстого "Царь Фёдор Иоаннович" открылся Московский Художественный театр. Большая часть его политических сатир также была опубликована посмертно.
Музей-усадьба Алексея Толстого расположена в Красном Роге (ныне Почепский район Брянской области). Здесь граф провёл детские годы, неоднократно возвращался в эти места в зрелом возрасте, здесь же и был похоронен.