Алексей Толстой родился в Петербурге в знатной дворянской семье 5 сентября 1817 года. Родители разошлись сразу после рождения сына, воспитывался будущий поэт матерью и ее братом — писателем Алексеем Перовским, больше известным под псевдонимом Антония Погорельского. Детские годы прошли в имениях матери, позже — дяди на Северной Украине. Получил хорошее домашнее образование. В 17 лет 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, поощряемый своим дядей, занимался с раннего возраста. Писал стихи, фантастические повести, и уже его первая опубликованная под псевдонимом «Краснорогский» в 1841 году повесть «Упырь» была замечена литературным критиком Виссарионом Белинским. В 1840-е годы начал работать над историческим романом «Князь Серебряный» (окончен в 1861 году). В этот же период написал рад баллад и лирических стихотворений, получивших широкую известность и впоследствии положенных на музыку русскими композиторами («Колокольчики мои», «Ты знаешь край, где все обильем дышит», «Курган», «Средь шумного бала…»). В 1854 году вместе со своими двоюродными братьями Жемчужниковыми создал сатирическую литературную маску Козьмы Пруткова и сборник его сочинений, до сих пор популярный в России. Служба при дворе (флигель-адъютант Александра II, затем егермейстер — заведующий егерями царской охоты) давала писателю возможность вступаться за близких ему людей (хлопотал о возвращении из ссылки Тараса Шевченко, об Иване Аксакове, Иване Тургеневе).

В 1861 году добился отставки («Служба и искусство несовместимы…», — написал он царю) и все свои силы и время стал отдавать литературе. В 1862 году опубликовал драматическую поэму «Дон Жуан», в 1866-1870 годах — историческую трилогию, включавшую трагедии «Смерть Иоанна Грозного», «Царь Федор Иоаннович», «Царь Борис». В последние годы жизни обратился к поэзии (писал баллады и политические сатиры в стихах). Уйдя в отставку, в основном жил в своих имениях, уделяя мало внимания хозяйству, и постепенно разорился. Ухудшилось и состояние его здоровья. 10 октября 1875 года, в возрасте 58 лет, Алексей Константинович Толстой умер в имении Красный Рог Черниговской губернии (ныне Почепский район Брянской области).