Библиотека была основана в 1954 году. С того момента началась не только история самой библиотеки, но и история переездов.
Первоначально библиотека располагалась в небольшом деревянном доме без удобств, с печным отоплением по адресу ул. Добролюбова, 18. Здесь же находился пункт выдачи детской библиотеки. В 80-х годах дом был снесен. В 1981 году библиотеку разместили на первом этаже нового пятиэтажного дома по адресу ул. Вокзальная, 31. Здесь разместились абонемент, читальный зал, четыре хранилища. С 1994 года «толстовка» после объединения с профсоюзной библиотекой завода им. Октябрьской революции и ремонта помещения профсоюзной библиотеки (бывшее здание заводской фабрики-кухни) работала по адресу ул. Красный переулок, 4. В августе 2007 библиотека вновь вынуждена была переехать, на этот раз в помещение детского сада № 95 по адресу ул. Карлова, 50. Осенью 2014 года остро встает вопрос нехватки мест в детском саду для маленьких омичей, и библиотека освобождает комфортное помещение. Очередной переезд в поселке «Привокзальный» происходит снова на улицу Добролюбова, откуда начиналась библиотечная история. В гимназии №147 по адресу ул. Добролюбова, 22 библиотека работает и сейчас. В большом помещении оборудован отдельный вход и пандус для инвалидов.
В первые годы фонд библиотеки составлял менее 12 тысяч книг, к концу 60-х годов он увеличился до 40 тысяч экземпляров. В период с 1976 по 1981 годы библиотека имела 6 выдачных пунктов: цех №5 фабрики «Большевичка», ателье мод №45, парикмахерская, магазин 201 и аптека. Сохранились интересные данные картотеки профиля читателей: шоферов – 55, слесарей – 43, маляров – 67, монтажников – 45, электриков – 46, а вот инженеров, всего – 12. На начало 80-х годов число читателей составляло 2800, число посещений в течение года – 14 тысяч. В этот период библиотека проводила много мероприятий по патриотическому воспитанию учащихся 8-10-х классов в клубе «Юный железнодорожник».
Библиотека им. Л.Н.Толстого до 2008 года являлась опорной для библиотек Ленинского округа. Более 40 лет её возглавляла Галина Владимировна Илюшина, один из авторитетных специалистов и руководителей.
В настоящее время фонд библиотеки составляет 34 тысячи экземпляров, Ежегодно фиксируется более 3 000 читателей, проводится более 200 просветительских мероприятий.