Александра Львовна была 12-м ребенком Льва Толстого. Уже своим появлением на свет она изменила жизнь семьи: 18 июня 1884 г. писатель собирался навсегда покинуть Ясную Поляну, но его остановили начавшиеся у жены роды. На одаренность девочки первой обратила внимание ее крестная, двоюродная тетка писателя Александра Андреевна, в честь которой и назвали младшую дочь. Когда той было 3 года, крестная писала Толстым: «Мне всё кажется, что вы не обращаете на неё должного внимания, а она недюжинный ребёнок. У неё в голове и глазах сидит целый отец Лев Николаевич».

Мать Александры, Софья Андреевна, не баловала девочку вниманием и лаской. После ее появления на свет она признавалась: «В семь часов утра родилась прекрасная девочка с тёмными длинными волосами и большими синими глазами. Пережив столько тяжёлого волнения в эту ночь и измучившись и физически родами, я уже ничего не могла чувствовать к ребёнку. Решив твёрдо невозможность кормить самой, я велела её унести в детскую, с глаз долой, чтоб не терзать своё сердце видом такой раньше желанной и теперь отвергнутой девочки». Отсутствие родительской нежности и заботы компенсировалось повышенным вниманием к ее образованию – для Александры нанимали лучших гувернанток и учителей. Она знала английский, немецкий и французский языки, училась рисованию, музыке и танцам, ездила верхом и каталась на коньках.
В детстве Александра не получала внимания и от отца. Ее сближение с ним началось с 15 лет, когда Александра стала переписывать его рукописи и помогала вести переписку с корреспондентами.

Позже она рассказывала: «Впервые я подошла к отцу, когда мне было 15 лет. Это время я считаю началом моей близости с ним. С годами она всё увеличивалась». В 16 лет она фактически стала личным секретарем писателя, а в последнее десятилетие его жизни была особенно близка с ним, став не только поверенной в его делах, но и верной помощницей и единомышленницей. Она создала в Ясной Поляне амбулаторию, где лечила крестьян, а также преподавала в местной школе. Лев Толстой не скрывал, что младшая дочь была его любимицей, и в одном из писем признавался: «И рад, что люблю её, и браню себя за то, что слишком исключительно». Согласно завещанию писателя, Александра стала распорядительницей его литературного наследия.

В семейной драме родителей она полностью была на стороне отца. Толстой посвятил её, единственную из его родных, в планы своего ухода из Ясной Поляны. В ночь с 27 на 28 октября 1910 года она провожала отца, покинувшего дом, а 30 октября присоединилась к нему в Шамордине и находилась с ним до самого конца его жизни.
С началом Первой мировой войны Александра Толстая окончила краткие курсы сестер милосердия и отправилась добровольцем на фронт. Свое решение она объясняла так: «Я не могла сидеть дома, я должна была участвовать в общей беде».
В 1915 г. Александра в составе отряда Красного Креста боролась с эпидемией тифа в русской армии, создала передвижной госпиталь, организовала школы-столовые для детей беженцев. В конце 1916 г. Толстая попала в госпиталь после отравления во время немецкой газовой атаки. Спустя год она вернулась в Москву с двумя Георгиевскими медалями.

После Октябрьской революции 1917 года Толстая не захотела примириться с новой властью, преследовавшей инакомыслящих. Будучи страстной правозащитницей, Александра Львовна не могла молчать и открыто выступала против насилия.
В 1920 году она была арестована ВЧК, была подсудимой по делу «Тактического центра» в Верховном революционном трибунале. На суде заявила, что она лишь ставила самовар для участников совещаний организации, проходивших в её квартире. (В связи с этим Александр Хирьяков в своей поэме «Страшный заговор, или Торжество советской власти» писал: «Тушите свой гражданский жар // В стране, где смелую девицу // Ввергают в тесную темницу // За то, что ставит самовар»).
Была приговорена к трём годам заключения, которое отбывала в лагере Новоспасского монастыря. Благодаря ходатайству крестьян Ясной Поляны её освободили досрочно в 1921 году. Она вернулась в родную усадьбу, а после соответствующего декрета ВЦИК стала хранительницей музея.

Организовала в Ясной Поляне культурно-просветительный центр, открыла школу, больницу, аптеку. Была членом созданного в июле 1921 года декретом ВЦИК Всероссийского комитета помощи голодающим (Всероспомгол), который спустя немногим более месяца, в августе того же года, был ликвидирован постановлением того же ВЦИК.
В 1920-х также принимала активное участие в деятельности Американской администрации помощи (АРА) в Советской России, была сотрудником её представительства в Москве; состояла под плотным наблюдением ВЧК. В секретном докладе ВЧК советскому правительству особо отмечалось, что на работу в представительство АРА в Москве принята графиня Толстая, которая «явно высказывает ненависть к Советской власти».
В 1924 году в прессе стали появляться статьи об Александре Львовне, в которых она обвинялась в неправильном ведении дел. В 1929 году покинула Советский Союз, уехав в Японию для чтения лекций. В 1931 году отказалась от советского гражданства, а через некоторое время переехала в США.
За границей она выступала с лекциями об отце во многих университетах. В 1939 году организовала и возглавила занимавшийся помощью русским беженцам Толстовский фонд, филиалы которого сейчас находятся во многих странах.
В 1941 году она приняла гражданство США и отказалась от титула графини.
В последующие годы Александра Львовна помогла многим русским эмигрантам, в частности Владимиру Набокову, обосноваться в США.
В 1952 году возглавила Общественный совет созданного в Нью-Йорке Издательства имени Чехова.
В ноябре 1956 года во время ввода войск в Венгрию на массовом митинге в «Мэдисон-сквер-гарден» Александра Толстая выступила по-русски с призывом, который был передан по «Радио Свобода»:
«В мире происходят великие события — Польша, Венгрия борются за свободу. Русские солдаты! Где вы? С кем вы? Сознаете ли вы ту непобедимую силу, которая во все времена представляла из себя русская армия, армия, которая избавила русский народ от татарского ига, которая в 1812 году изгнала французов из России, сломала мощь Гитлера! С кем вы? С героями-венграми, которые, презрев страх, лишения, страдания, мученичество и даже смерть, с голыми руками пошли против своих поработителей? Или вы с врагами и палачами русского народа, которые вас принудили идти проливать кровь героев-венгров, борющихся за свою и вашу свободу».
В Советском Союзе Александру Толстую убрали из всех фотоснимков и кинохроник, её имя не упоминалось в примечаниях и мемуарах, экскурсионных рассказах и музейных экспозициях.
В канун празднования 150-летия со дня рождения Льва Толстого (1978) прислала в яснополянский музей письмо, в котором писала: «Мне тяжело, что в эти драгоценные для меня дни я не могу быть с вами, с моим народом, на русской земле. Мысленно я никогда с вами не расстаюсь».

Александра Львовна скончалась 26 сентября 1979 года в Уэлли-Коттедж (штат Нью-Йорк) в возрасте 95 лет.
Общественная гуманитарная деятельность Толстой отмечена Конгрессом русских американцев, принявшим 9 июня 1979 года решение об избрании её в Палату славы.