В эмиграции были написаны: роман «Хождение по мукам» («Сестры»), впоследствии ставший первой книгой известной трилогии с одноименным названием, повесть «Детство Никиты», повесть «Лунная сырость» («Граф Калиостро») и фантастический роман «Аэлита». Много работал в периодических изданиях, редактировал литературное приложение к сменовеховской газете «Накануне».
В августе 1923 г. А.Н. Толстой с семьей вернулся из эмиграции в Россию. В эти годы совместно с профессором П.Е. Щеголевым, имевшим архив подлинных исторических документов, были написаны пьесы «Заговор императрицы» и «Азеф»; завершены «Похождения Невзорова, или Ибикус» и «Гиперболоид инженера Гарина». «...Пришлось ознакомиться с новейшими теориями молекулярной физики. Много помог мне академик П.П. Лазарев», – писал Толстой. Своего героя – инженера Гарина – писатель намеренно снабдил именем и отчеством академика Лазарева. А идею изобретения и построения двойного гиперболоида он почерпнул у чешского ученого Теслы, да и дружба с академиком П.Л. Капицей и техническое образование самого Толстого, безусловно, сыграли свою роль.
В декабре 1928 г. он закончил пьесу «На дыбе» (сцены из трагедии «Петр Первый»), и зимой 1929 г. началась работа над историческим романом «Петр I». «...Лучшего я не писал. Но это так трудно, что иногда приходишь в отчаяние. Нужно переварить и освободиться... от огромного количества материала... Всего в романе будет шесть или пять глав...», – писал Толстой.
В 1935 г., закончив сказку «Золотой ключик, или приключения Буратино», писатель продолжал работу над двумя большими произведениями – романом «Петр I» и трилогией «Хождение по мукам». Трилогия была завершена в 1941 г. Роман так и не был завершен.
В январе 1938 г. А.Н. Толстой был избран председателем Правления Пушкинского общества, а 19 июля 1938 г. на заседании Правления единогласно постановили выдвинуть его кандидатуру в почетные академики Академии наук СССР.
23 сентября 1938 г. Постановлением Президиума Академии наук А.Н. Толстой был утвержден членом Ученого совета Института мировой литературы им. Горького (ИМЛИ) Академии наук. Толстой сразу же начинает активную работу в Совете. 17 ноября он приказом по ИМЛИ АН СССР утвержден в составе редакционной коллегии сборника исследований о жизни и творчестве М.Ю. Лермонтова; тогда же он начинает сбор материалов свода русского фольклора и вместе с профессором Ю.М. Соколовым докладывает о проблемах реализации этой работы. Определена редакционная коллегия «Полного свода фольклора народов СССР», главой которой избран Толстой; он также является членом государственной редакционной комиссии при СНК СССР по академическому изданию собрания сочинений Л.Н. Толстого.
