Родился в 1186/1190ю. Четвёртый, младший сын Чингисхана и его старшей жены Бортэ. На начальном этапе завоевания государства Хорезмшахов Толуй сопровождал отца. После взятия в начале 1221 Балха ему было поручено покорение остального Хорасана. Толуй двинулся на запад, к Маручаку (северо-западный угол нынешнего Афганистана), затем, перейдя Мургаб и его левый приток Кушк, он повернул вдоль реки на север, к Мерву.

Наместник города в это время враждовал с большой группой туркменов. Разведав их позиции у реки, монголы предприняли ночную атаку и, несмотря на многочисленность, туркмены были опрокинуты.

25.02.1221 монголы появились перед воротами Мерва. Сам Толуй с пятьюстами человек объехал вокруг стен. Шесть дней монголы осматривали укрепления и нашли их в хорошем состоянии, способными выдержать длительную осаду. На седьмой день было начато общее наступление. Горожане предприняли две вылазки из разных ворот и в обоих случаях были тут же отброшены. На следующий день наместник сдал город, поверив обещаниям о пощаде, которые не были выполнены. Жителей выгнали в открытое поле и предали мечу, оставив в живых 4 тыс. ремесленников и некоторое количество детей, уведённых в рабство.

От Мерва Толуй повернул на юго-запад и подошёл к Нишапуру. Горожане, в ноябре 1220 оказавшие сопротивление отряду Тогачара и убившие его самого, не решились противостоять войскам Толуя и предложили обсудить условия сдачи. Их предложения были отвергнуты и в среду, 7.04.1221 началось наступление. В субботу город был взят штурмом. Как и в Мерве, жители были выгнаны в открытое поле, и чтобы отомстить за смерть Тогачара, было приказано: "разрушить город до самого основания, чтобы это место можно было перепахать; и чтобы во исполнение мести в живых не осталось даже кошек и собак".

Прибыв к Герату, Толуй отправил в город посла, но его казнил малик, наместника султана Джалал ад-Дина. Разгневанный Толуй предпринял штурм, на восьмой день которого малик погиб. Толуй пообещал гератцам жизнь, если они сдадутся немедленно. Жители покорились, и условие было соблюдено. Исключение составили 12 тыс. человек войска Джалал ад-Дина. Поставив управлять Гератом малика-хорасанца и монгола из своего окружения, Толуй вернулся к Чингисхану.

Талант полководца и преданность отцу обеспечивали Толую популярность в армии, что практически гарантировало бы избрание великим ханом после смерти Чингисхана. Однако будучи младшим сыном, Толуй согласно обычаям становился хранителем коренного юрта — владений рода Борджигинов в Монголии. Это подтвердил перед смертью (август 1227) и Чингисхан, завещав избрать великим ханом Угэдэя. Толуй же принимал командование центральной частью армии (101 из общих 129 тыс. человек).

В период междуцарствия (1227-1229) Толуй оставался регентом государства вплоть до созыва великого курултая в 1229, где народ-войско, уважая волю Чингисхана, провозгласил ханом его третьего сына, Удэгэя, а Толуй передал под власть Угэдэя корпус кешиктенов (ханских гвардейцев) и девятикратно поклялся ему в верности. Но и далее Толуй наряду с Елюем Чуцаем играл важную роль в управлении государством

После избрания великого хана и возвращения основной части войск на фронты была продолжена война с империей Цзинь. Боевые действия развивались не совсем удачно для монголов и место командующего юго-западной группировкой Субэдэя, отозванного в конце 1230, занял Толуй. Вскоре ему удалось разгромить цзиньскую армию и к началу 1232 прорваться во внутренние области государства чжурчженей.

Толуй умер осенью 1232. Согласно легенде когда Угэдэй тяжело заболел, был проведён традиционный обряд выкупа души больного у духов. Шаманы просили духов принять вместо души Угэдэя золото, серебро, скот или съестное в качестве дзолика — выкупа. Однако шаманы выяснили, что дзоликом в этой ситуации может стать только родственник больного. Присутствовавший при этом Толуй со словами "вместо Угедей-кагана возьми меня, ему дай исцеление от этого недуга, а его недуг вложи в меня" выпил заговорённую шаманами воду. Вскоре Угэдэй поправился, а Толуй, покинувший ставку брата, в дороге заболел и скончался.

Имя Толуя стало после его смерти табуированным (запетным). Чтобы не называть его настоящего имени Толуя называли Великий нойон (монг. Екэ-нойон, тюрк. Улуг-нойон). Даже вместо монгольского обозначения зеркала (тулуй) стало употребляться тюркское (кузгу). В 1251 сыном Мункэ ему был посмертно присвоен императорский титул Ин-у хуан-ди ("Доблестный и воинственный император") и храмовое имя Жуй-цзун. В 1265 четвертый сын Толуя, Хубилай, присвоил ему другой посмертный титул — Цзин-сян хуан-ди ("Блистательный и помогавший император").

Старшей и любимейшей женой Толуя была Сорхахтани, дочь Джаха-Гамбу, племянница кереитского Ван-хана. Она была отдана Чингисханом в жёны Толую, пребывавшему ещё в детском возрасте, после разгрома кереитов (1203). У Толуя и Сорхахтани было четверо сыновей (всего было 10 сыновей):

Мункэ (1208-1259), занимал ханский престол в 1251-1259,

Хубилай (1215-1294), завершил завоевание Китая и основал китаизированную династию Юань.

Хулагу (1217-1265), основал династию, управлявшую фактически независимым от центрального правительства государством в Иране и прилегающих территориях.

Ариг-Буга (ум. 1266), управлял исконными монгольскими землями ("коренным юртом"). Боролся за верховную власть с Хубилаем.