Улица находится в Центральном районе города в его исторической части. Начинается у улицы Промышленной и проходит в юго-западном направлении до Социалистического проспекта. Протяжённость — 0,9 км. Ширина — от 4 до 8 метров.
Своё современное название улица получила в честь писателя Льва Николаевича Толстого, а до 1910 года, когда произошло это переименование, улица носила название Большой Тобольской.
Улица появилась практически сразу после основания города в 1730—1740-х годах. Здесь располагались жилые дома, усадьбы и лавки купцов, сначала деревянные, а позднее из кирпича. В конце XVIII века на пересечении с Богородицким переулком (ныне проспект Ленина) была построена Богородице-Одигитриевская церковь.
К середине XIX века в районе Большой Тобольской улицы сложился торговый центр Барнаула, кроме купеческих лавок, рядом появилась базарная площадь, которая сохранилась до сих пор. В начале XX века на пересечении с современным проспектом Ленина находилось здание, где располагалась Городская дума, а выше по улице — окружной суд. Пожар 1917 года уничтожил большинство строений, однако позднее часть зданий удалось восстановить.
Сегодня на улице Льва Толстого находится Государственный музей истории литературы, искусства и культуры Алтая, муниципальный музей истории Барнаула «Город», а также комитеты мэрии Барнаула по культуре, транспорту, дорогам и благоустройству, Алтайский краевой наркологический диспансер, торговые центры — «1000 мелочей», «Старый базар» и др.