בשנת 1905 מונה לשר החינוך. בהיותו בתפקיד הוא קידם הסרת מגבולות לקבלת יהודים ללימודים במוסדות להשכלה גבוה. הצעותיו אושרו במועצת השרים אך לא קיבלו אישור סופי של הצאר. יחד עם זאת, טולסטוי קידם ביטול מספר מגבלות שהיו בתחום משרדו. בשנת 1907, כאשר כבר לא היה בתפקיד השר הוא פרסם ספר שושא מצב היהודים ברוסיה שכתב ביחד עם יולי גסן.
טולסטוי מומחה בנומיסמטיקה ופרסם מספר עבודות בנושא. לאחר הקמת "ארגון ללימוד חיי היהודים" בתחילת מלחמת העולם הראשונה, מונה ליושב ראש הארגון. מטרת הקמת הארגון הייתה פעילות נגד אנטישמיות ברוסיה.
בשנת 1916 הוא התפטר מכל תפקידיו לאו מצבו הבריאותי. הוא נפטר תוך זמן קצר ונטמן במנזר אלכסנדר נבסקי בסנקט פטרבורג.
