Улица Льва Толстого проходит от одноименной площади до Большой Монетной улицы. По рассуждениям Комиссии о санктпетербургском строении 1738 года, участок между современными площадью Льва Толстого и улицей Рентгена и его проектируемое продолжение на северо-запад до Малого проспекта должен был именоваться Загородной улицей, а следующий участок, до Большой Монетной, – Болотной улицей.Реально эти названия, происхождение которых очевидно, не употреблялись.
Первое действительно существовавшее имя улицы, причем в нынешних границах, появилось в 1798 году – Архиерейская. Оно было связано с тем, что на территории нынешнего Медицинского университета имени И. П. Павлова находился архиерейский двор, первым владельцем которого был архиерей Феофан Прокопович (1681–1736).
В октябре 1918 года Архиерейскую улицу переименовали в улицу Льва Толстого. Граф Лев Николаевич Толстой (1828–1910), оставивший огромное литературное наследие, не принадлежит к числу петербургских писателей. Он не так много жил в столице Российской империи, а с Архиерейской улицей его судьба вообще никак не была связана. Главной причиной переименования Архиерейской улицы в улицу Льва Толстого стало противопоставление нового названия старому. «В пику» церковному имени улице присвоили имя писателя, графа, преданного в 1901 году Церковью анафеме. При переименовании вспомнили и отношение к писателю руководителя советского государства Ленина, написавшего статью «Лев Толстой как зеркало русской революции». Лев Толстой стал первым писателем, увековеченным в городской топонимике после Октябрьской революции.
В 1920-е годы имя Льва Толстого закрепилось за площадью, оформившейся при застройке последнего участка Большого проспекта в 1911–1915 годах и расположенной на пересечении Каменноостровского проспекта (тогда – улицы Красных Зорь), Большого проспекта (тогда – проспекта Карла Либкнехта) и улицы Льва Толстого.