Nació el 9 de septiembre de 1828  en Yásnaya Poliana, en la provincia de Tula en el seno de una familia perteneciente a la más antigua nobleza rusa. Su madre, la princesa María Nikoláyevna Volkónskaya descendía de los antiguos príncipes de Volkonski, y su padre Nikolái Ilich Tolstói era conde. Tenía tres hermanos y una hermana: Serguéi, Nikolái, Dmitri y María; el nacimiento de ésta le costó la vida de su madre cuando aún no cumplía los dos años. Su padre muere de un ataque de apoplejía en 1838 cuando Tolstói acababa de cumplir 10 años.
Los hermanos se trasladan a Kazán, a la residencia de una tía paterna, P.I. Yushkova, donde Tolstói reside gran parte de su juventud estudiando en la Universidad de Kazán , pero abandona sus estudios en 1847. Los termina en San Petersburgo en la facultad de Derecho.
Se traslada a Moscú con intención de buscar un empleo o un casamiento conveniente. En aquel período de indecisiones, acosado de deudas contraídas en el juego se declara la guerra con Turquía y su hermano Nikolái, teniente de artillería, lo insta a ir con él al Cáucaso, en el Valle de Térek. Al llegar a la stanitsa Tolstói se desilusiona y se arrepiente de su viaje. Pocos días después acompaña a su hermano que debía escoltar un convoy de enfermos hasta el fuerte de Stari-Yurt. Cruzan las fuentes termales de Goriachevodsk donde Tolstói, algo reumático, aprovecha para tomar baños termales y donde conoce a la cosaca Márenka, idilio que reaparece en su novela Los cosacos.
Tolstói no pertenecía al ejército, pero en una de las campañas, el comandante, príncipe Bariantinski, repara en él y tras unos exámenes Tolstói ingresa en la brigada de artillería, en la misma batería que su hermano, como suboficial. Tiempo después consigue permiso para una cura reumática en las aguas termales en Piatigorsk, donde aburrido de pasar largas horas encerrado en su habitación se pone a escribir. El 2 de julio de 1852 termina Infancia y fruto de su estancia escribe La tala del bosque y los relatos de Sevastópol.
Poco después de ser testigo de tantos sacrificios y heroísmo en la campaña de Sevastópol se reintegra a la frívola vida de San Petersburgo, sintiendo un gran vacío e inutilidad.
Adscrito a la corriente realista, intentó reflejar fielmente la sociedad en la que vivía. La novela Los Cosacos (1863) describe la vida de este pueblo.
Anna Karénina (1867) cuenta las historias paralelas de una mujer atrapada en las convenciones sociales y un terrateniente filósofo Lyóvin (reflejo del propio Tolstói), que intenta mejorar las vidas de sus siervos.
Guerra y Paz es una monumental obra en la que se describen cientos de distintos personajes durante la invasión napoleónica.
Sus más famosas obras son Guerra y Paz y Anna Karénina, y son tenidas como la cúspide del realismo. Sus ideas sobre la «no violencia activa», expresadas en libros como El Reino de Dios está en Vosotros tuvieron un profundo impacto en grandes personajes como Gandhi y Martin Luther King.

Tolstói tuvo una importante influencia en el desarrollo del movimiento anarquista, concretamente, como filósofo cristiano libertario y anarcopacifista. El teórico anarquista Pedro Kropotkin lo citó en el artículo Anarquismo de la Enciclopedia Británica de 1911.
Entusiasta lector del Ensayo sobre la desobediencia civil del anarquista norteamericano Henry David Thoreau, envió a un periódico hindú un escrito titulado Carta a un hindú que desembocó en una larga correspondencia con Mohandas Gandhi, por entonces en Sudáfrica, influyendo profundamente el pensamiento de este último en el concepto de resistencia no violenta, un punto central de la visión del Cristianismo de Tolstói. En septiembre de 1910, dos meses antes de su muerte, le escribió en el sentido de aplicar la "no resistencia", ya que "la práctica de la violencia no es compatible con el amor como ley fundamental de la vida", principio que fue capital en el desarrollo posterior de la "satyagraha" del hindú. También sostuvo correspondencia con George Bernard Shaw, Rainer Maria Rilke y el zar Nicolás II, entre otros. Su epistolario forma un corpus de unas 10.000 cartas conservadas en el Museo Tolstói de Moscú.
Fue uno de los mayores defensores del esperanto, y en sus últimos años tras varias crisis espirituales se convirtió en una persona profundamente religiosa y altruista, rechazó toda su obra literaria anterior y criticó a las instituciones eclesiásticas en Resurrección, lo que provocó su excomunión. Ni siquiera una epístola celebérrima, la que le envió su amigo Iván Turguéniev en su lecho de muerte para pedirle que regresara a la literatura, hizo que cambiara de opinión.
Junto con Eliseo Reclus fue precursor de lo que poco después se denominaría "naturismo libertario". Tolstói, vegetariano como Reclus, escribe en su postrer libro Últimas palabras (1909) que vivamos según la ley de Cristo: amándonos los unos a los otros, siendo vegetarianos y trabajando la tierra con nuestras propias manos.
Tras ver la contradicción de su vivir cotidiano con su ideología, Tolstói decidió dejar los lujos y mezclarse con los campesinos de Yásnaya Poliana, donde él se crió y vivió. No obstante, no obligó a su familia a que lo siguiese y continuó viviendo junto a ellos en una gran parcela, lugar al cual con frecuencia sólo llegaba a dormir, gastando la mayor parte del día en el oficio de zapatero. Funda en la aldea una escuela para los hijos de los campesinos y se hizo su profesor, autor y editor de los libros de texto que estudiaban. Impartía módulos de gimnasia y prefería el jardín para dar clases. Creó para ello una pedagogía libertaria cuyos principios instruían en el respeto a ellos mismos y a sus semejantes.
Tolstói intentó renunciar a sus propiedades en favor de los pobres, aunque su familia, en especial su esposa, Sofía Behrs, lo impidió. Intentando huir de su casa murió en la estación ferroviaria de Astápovo, y entre sus últimas palabras, se oyeron éstas que muestran, como ninguna de las muchas maravillosas que pronunció o escribió, la grandeza de su alma: "Hay sobre la tierra millones de hombres que sufren: ¿por qué estáis al cuidado de mí solo?". Se le enterró en su casa en Nara.
 

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