С 01.02.1843 г. поступил на службу в канцелярию Е. И. В. В 1847-1851 гг. чиновник по особым поручениям, в 1851-1853 гг. – вице-директор Департамента духовных дел иностранных исповеданий МВД. В 1853-1860 гг. директор Канцелярии Морского министерства. С 1865 по 1880 – Обер-прокурор Синода. Член Государственного Совета с 1865 г. На посту Обер-прокурора провел ряд значительных реформ в церкви, способствовавших большей открытости духовного сословия. Параллельно с этим занимал должность министра народного просвещения (1866-1880 гг.). На этом посту инициировал воссоздание Варшавского и открытие Томского университетов, создание первых специальных учебных заведений для подготовки учителей в гимназии. Способствовал значительному увеличению числа средних учебных заведений. Был сторонником введения обязательного начального образования для крестьян. С 1882 г. – Президент Академии Наук. В 1882-1889 гг. занимал должность министра внутренних дел. Один из идеологов политики контрреформ, в том числе в области высшей школы.
Д. А. Толстой интересовался историей государственных учреждений Российской Империи (финансовых, Адмиралтейств-коллегии. Занимался историей академической гимназии и университета в XVIII ст. по документам архива Академии наук. На научных интересах Д. А. Толстого сказались его обязанности как государственного деятеля: ряд его работ посвящён истории вероисповеданий в России, а именно взаимоотношениям с униатами в Западном крае, деятельности иезуитов в России при Екатерине Великой и Иване Грозном, истории Католицизма в России и взаимоотношениям России и Святого Престола. Был инициатором издания «Материалов для истории Академии Наук».
Толстой Д. А. Римский католицизм в России. Историческое исследование графа Д. А. Толстого. – СПб., 1876-1877. Т. 1-2; Он же. О статистических работах межевых чинов в царствование императрицы Екатерины II // ЖМВД. 1848. Ч. 21; О винной регалии в России до времён Петра Великого // Отечественные записки. 1842. №7; О первоначальном устройстве и последующих изменениях в устройстве Адмиралтейств-коллегии // МС. 1855. №6.
Трубников С. С. Учёные труды гр. Д. А. Толстого // ИВ. 1889. №6; Борисов А. В. Столп реакции: Д. А. Толстой (1823-1889) // Милиция. 1993. №1; Степанов В. Л. Д. А. Толстой // Рос. Консерваторы. - М., 1997; The Classroom and the Chancellery: State Educational Reform in Russia under Count Dmitry Tolstoi. Harvard, 1973.
РГИА. Ф. 1664. Толстой Д. А.
Петербургская историческая школа (XVIII – начало XX вв.): информационный ресурс. СПб., 2016-.
Ред. коллегия: Т.Н. Жуковская, А.Ю. Дворниченко (руковод. проекта, отв. ред.), Е.А. Ростовцев (отв. ред.), И.Л. Тихонов
Авторский коллектив: Д.А. Баринов, А.Ю. Дворниченко,Т.Н. Жуковская, И.П. Потехина, Е.А.Ростовцев, И.В. Сидорчук, Д.А. Сосницкий, И.Л. Тихонов и др.