Представитель графской ветви дворянского рода Толстых, происходящей от петровского сподвижника П. А. Толстого. Писатель имел обширные родственные связи в мире высшей аристократии. Среди двоюродных братьев и сестёр отца — авантюрист и бретёр Ф. И. Толстой, художник Ф. П. Толстой, красавица М. И. Лопухина, светская львица А. Ф. Закревская, камер-фрейлина А. А. Толстая. Поэт А. К. Толстой приходился ему троюродным братом. Среди двоюродных братьев матери — генерал-лейтенант Д. М. Волконский и богатый эмигрант Н. И. Трубецкой. А. П. Мансуров и А. В. Всеволожский были женаты на двоюродных сёстрах матери. Толстой был связан свойство́м с министрами А. А. Закревским и Л. А. Перовским (женаты на двоюродных сёстрах его родителей), генералами 1812 года Л. И. Депрерадовичем (женат на сестре бабушки) и А. И. Юшковым (деверь одной из тёток), а также с канцлером А. М. Горчаковым (брат мужа другой тётки). Общим предком Льва Толстого и Пушкина был адмирал Иван Головин, помогавший Петру I создавать русский флот.