С 1920 года, когда он совершил свою первую экспедиционную поездку на побережье Белого моря, большая часть его жизни была связана с изучением растительности Русского Севера[4].
В начале 1930-х годов исследователь неоднократно посещал север Республики Коми, возглавив Печорскую бригаду Полярной комиссии Академии наук СССР. Практическим итогом работы Комиссии явилась организация 15 декабря 1933 года в АрхангельскеБюро по изучению Северного края. С января 1934 года А. И. Толмачёв являлся председателем этого бюро. В центре внимания были вопросы планирования научно-исследовательских работ в регионе, проблемы перспективного освоения природных ресурсов. В 1935 году была предложена «Рабочая гипотеза долгосрочного освоения Усть-Печорского края», одобренная Академией наук СССР и использованная впоследствии при разработке практических мероприятий по освоению республики[4].
С 1947 по 1955 год А. И. Толмачёв работал в Сахалинском филиале АН СССР. Его исследования внесли большой вклад в развитие ботанической науки на острове. Именно здесь и отчасти благодаря исследованиям господствующих на острове темнохвойных лесов он закончил свой труд «К истории возникновения и развития темнохвойной тайги» (1954)[3].
Растительности острова посвящено множество работ выдающегося ботаника. Позже, в 1974 году, он стал ответственным редактором «Определителя высших сосудистых растений Сахалина и Курильских островов», уникального и незаменимого издания на островах. В сентябре 1951 года избран в состав Сахалинского областного комитета защиты мира[6].
В 1955 году он вернулся в Ленинград, где жил и работал до конца жизни. Возглавив с конца 1950-х годов лабораторию растительности Крайнего Севера, он приступил к подготовке многотомного труда «Арктическая флора СССР»[4].
А. И. Толмачёв поддерживал тесные связи с ботаниками Республики Коми, под его редакцией увидели свет сводки, подводящие итоги многолетней инвентаризациифлорысосудистых растений — «Определитель высших растений Коми АССР» (1962) и четырёхтомная «Флора Северо-Востока европейской части СССР» (1974—1977).
А. И. Толмачёв много времени уделял подготовке квалифицированных кадров ботаников. С 1958 года заведовал кафедройсистематикивысших растений Ленинградского университета, позднее был деканомбиолого-почвенного факультета (1963—1966). Под его руководством выполнены десятки дипломных и аспирантских работ. Многие ученики А. И. Толмачёва стали известными учёными[7].
За большую научную, общественную и преподавательскую деятельность А. И. Толмачёву были присвоены звания Заслуженного деятеля науки РСФСР и Заслуженный деятель науки Таджикской ССР[8].
Толмачёв А. И. К методике сравнительно-флористических исследований. 1. Понятие о флоре в сравнительной флористике // Журн. Рус. бот. о-ва. 1931. Т. 16, № 1. С. 111—124.
Толмачёв А. И. Флора центральной части Восточного Таймыра // Тр. Поляр. комис. 1932. Вып. 8. С. 1-126.
Толмачёв А. И. О некоторых закономерностях распределения растительных сообществ в Арктике // Бот. журн. 1939. Т. 24, № 5-6. С. 504—517.
Толмачёв А. И. О количественной характеристике флор и флористических областей. — М. ; Л. : Изд-во АН СССР, 1941. — 37 с
Толмачёв А. И. Об условиях существования третичных флор Арктики // Бот. Журн. 1944. Т. 29, № 1. С. 3-17.
Толмачёв А. И. Основные пути формирования растительности высокогорных ландшафтов северного полушария // Бот. журн. 1948. Т. 33, № 2. С. 161—180.
Толмачёв А. И. К истории развития флор Советской Арктики // Ареал. Вып. 1 / под ред. А. И. Толмачёва. М. ; Л. : Изд-во АН СССР, 1952. С. 13-19.
Толмачёв А. И. К истории возникновения и развития темнохвойной тайги. — М. ; Л. : Изд-во АН СССР, 1954. — 155 с.
Толмачёв А. И. Геоботаническое районирование острова Сахалина. — М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1955. — 80 с.
Толмачёв А. И. О флоре острова Сахалина // Комаровские чтения. Вып. 12. — М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1959. — 104 с.
Толмачёв А. И. Географические закономерности эволюции в недавнем и отдаленном геологическом прошлом : (очерки по биогеографии минувших геологических периодов). I. О преимущественном значении суши северного полушария как места формирования прогрессивных элементов наземных флор и фаун. II. Закон зональности и его отражение в развитии органического мира Земли в различные геологические периоды // Вопросы палеобиологии и биостратиграфии : Тр. II сессии Всесоюз. палеонтол. о-ва / под ред. Д. Л. Степанова. М. : Госгеолтехиздат, 1959. С. 25-55.
Толмачёв А. И. Роль миграций и автохтонного развития в формировании высокогорных флор земного шара // Проблемы ботаники. М. ; Л. : Изд-во АН СССР, 1960. Вып. 5. С. 18-31.
Толмачёв А. И. Автохтонное ядро арктической флоры и её связи с высокогорными флорами Северной и Центральной Азии // Проблемы ботаники. М. ; Л. : Изд-во АН СССР, 1962. Вып. 6. С. 55-65.
Толмачёв А. И. Богатство флор как объект сравнительного изучения // Вестн. ЛГУ. 1970а. № 9. С. 71-83.
Толмачёв А. И. О некоторых количественных соотношениях во флорах земного шара // Вестн. ЛГУ. 1970б. № 15. С. 62-74.
Толмачёв А. И. Введение в географию растений : (лекции, чит. студентам Ленингр. ун-та в 1958—1971 гг.). — Л. : Изд-во ЛГУ, 1974. — 244 с.
Толмачёв А. И. Методы сравнительной флористики и проблемы флорогенеза. — Новосибирск : Наука, 1986. — 197 с.
↑Центр сохранения историко-культурного наследия Арктики (Музей истории САФУ). Фонд АГПИ. Оп.1. Кор.3. Книга приказов 1938—1939 гг., Л.28
↑Состав членов областного комитета защиты мира, избранных на областной конференции защитников мира // Молодая гвардия : газета. — 1951. — 19 сентября (№ 112). — С. 1.
Баранова О. Г., Бубырева В. А.К 110-летию Александра Иннокентьевича Толмачёва (рус.) // ФГБУН Самарский научный центр РАН Фиторазнообразие Восточной Европы : журнал. — Учреждение Российской академии наук Институт экологии Волжского бассейна РАН, 2013. — Т. 7, № 4. — С. 114—120. — ISSN2072-8816.
Юрцев Б. А. Вклад А. И. Толмачева в ботаническую географию, флористику, систематику // Бюллетень Московского общества испытателей природы. 1974. Вып. 3.
Республика Коми: Энциклопедия. Т. 3. Сыктывкар: Коми книжное изд-во, 2000. С.154 — 155.