Фёдор Петрович Толстой родился в семье графа П. А. Толстого, начальника Кригс-комиссариата. С рождения был записан сержантом в Преображенский полк. Учился в Полоцком иезуитском коллегиуме, в Белоруссии, затем в Морском кадетском корпусе. Рано проявил талант к изобразительному искусству. Ещё учась в Морском корпусе, Толстой начал посещать Петербургскую Академию художеств в качестве вольнослушателя. В 1804 году подал в отставку и начал карьеру художника.
    В Академии художеств Толстой обучался скульптуре у И. П. Прокофьева.
    В 1809 году создал свою первую медаль «В память просветительной деятельности Чацкого». В том же году он был избран почётным членом Академии художеств. В 1810 году получил назначение в Петербургский Монетный двор.
    После победы в Отечественной войне 1812 года выпустил серию медальонов, пользовавшихся широкой известностью, использованных в варианте проекта Александровской колонны.
    В 1818 году Толстой вступил в тайное общество «Союз Благоденствия», где состоял одним из руководителей (председателем Коренного Совета).
    В восстании декабристов не участвовал.
    В 1849 году Совет Академии художеств утвердил Толстого в должности профессора  за заслуги в области скульптуры. Толстой также участвовал в оформлении Храма Христа Спасителя.
    Умер Фёдор Петрович Толстой 13 апреля 1873 года, похоронен на Лазаревском кладбище Александро-Невской лавры.