Педиатр, ученый, один из основоположников педиатрии в России Н. А. Тольский родился 31 января 1832 года в г. Липецке Тамбовской губернии (ныне областном центре) в семье врача. Его отец около 40 лет состоял городским и уездным врачом, работал в Усмани, Шацке, а с 1825 года – в Липецке. По свидетельствам современников, Алексей Яковлевич «был врач известный, по своему времени очень образованный, имел хорошую медицинскую библиотеку. Он пользовался большим доверием и любовью во всем округе. Был человек энергичный, много занимался и много работал. Отец для Николая Алексеевича был идеалом».

Пример отца оказал определяющее влияние на выбор жизненного пути Николая Алексеевича. Он учился в Москве в частных пансионах Энеса (здесь же учился и будущий профессор С. П. Боткин) и Куртенера.

В 1848 году он поступил на медицинский факультет Московского университета. Каникулы проводил в Липецке. В «Кратком отчете университета за 1891 год» сообщалось, что «примерное трудолюбие и выдающиеся способности молодого лекаря обратили на себя внимание профессоров медицинского факультета». Поэтому после окончания университета (1853) Н. А. Тольский был оставлен ассистентом в клинике акушерства, женских и детских болезней.

В 1858 году ученый блестяще защитил докторскую диссертацию на тему «Об искусственных преждевременных родах» и был направлен на стажировку в клиники Германии, Бельгии, Франции, Англии (1859-1861). После возвращения из-за границы он стал адъюнктом кафедры акушерства, женских и детских болезней Московского университета. Он стал одним из самых любимых студентами профессоров. «Обладая незаменимым для преподавателя даром – коротко и ясно передавать научные сведения и практические выводы, Николай Алексеевич был замечательный лектор и редкостный учитель. ... Привлекала его личность. Добрый, справедливый и тактичный, Николай Алексеевич был незаменимым экзаменатором и гуманным начальником», – говорится в университетском отчете.

Велик вклад Н. А. Тольского в педиатрию как науку и практику. Он впервые в практике преподавания медицины в России составил программу детских болезней и начал читать цикл лекций по этому предмету. В 1863 году он стал доцентом курса детских болезней. С 1873 года Николай Алексеевич – профессор кафедры акушерства, женских и детских болезней и одновременно (1880-1881) - декан медицинского факультета. Он ввёл специальный курс женских болезней и организовал первое в России гинекологическое отделение. 

По его инициативе в 1866 году была создана первая в Москве детская клиника на 11 коек, организована самостоятельная кафедра детских болезней (1888), построено специальное здание клиники детских болезней Московского университета, ныне Московской медицинской академии им. И. М. Сеченова (1890-1891). Стараниями Н. А. Тольского педиатрия в России стала развиваться как наука и самостоятельная клиническая дисциплина в учебной программе медицинских учебных заведений. В течение 20 лет он был секретарем, затем председателем физико-медицинского общества при Московском университете.

Так же, как и его отец, Николай Алексеевич был прекрасным семьянином. Он женился в 1865 году на бывшей повивальной бабке (акушерке)  Елизавете Алексеевне Боковой, воспитал сына. Интересно, что среди  пациентов Николая Алексеевича был и будущий скульптор, основатель кукольного театра Иван Семенович Ефимов (1878-1959), детство и юность которого прошли в имении Отрадном под Липецком. По его воспоминаниям, Николай Алексеевич имел практику очень большую, но был совершенно не корыстолюбив, лечил большей частью не богачей, а «рублевых пациентов».

Умер 15 февраля 1891 года в Москве, похоронен на Ваганьковском кладбище.