Фёдор Толстой родился в семье графа П. А. Толстого, начальника Кригс-комиссариата. С рождения был записан сержантом в Преображенский полк. Учился в Полоцком иезуитском коллегиуме, 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 г. подал в отставку и начал карьеру художника.
В Академии художеств Толстой обучался скульптуре у И. П. Прокофьева.
В 1809 г. создал свою первую медаль «В память просветительной деятельности Чацкого». В том же году он был избран почётным членом Академии художеств. В 1810 г. 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 г. Толстой вступил в тайное общество «Союз Благоденствия», где состоял одним из руководителей (председателем Коренного Совета).
В восстании декабристов не участвовал.
В 1849 г. 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 (25) апреля 1873, похоронен на Лазаревском кладбище Александро-Невской лавры.
Некоторые способности к литературе для образованного человека XIX столетия - вещь естественная и повсеместная. А поэтому нет ничего удивительного, что подобные сочинения, авторства Ф.П. Толстого, были обнаружены и опубликованы. Среди них, Обзор собственной деятельности, относящийся более к деловой документальной хронике, и традиционные для своего времени довольно любопытные Мемуары. Приводим оба эти произведения:
Две миниатюры Федора Толстого "Птичка" и "Смородина", упоминаемые его дочерью Каменской-Толстой М.Ф. в "Воспоминаниях" находятся в Иркутском Художественном музее, а 17 медалей в Иркутском доме-музее декабриста Волконского.