Руководитель крупной научной школы, получившей признание работами в областях тонкого и промышленного органического синтеза, металлокомплексного катализа, металлоорганического синтеза, химии природных и биологически активных соединений, медицинской химии. Им выполнены обширные циклы работ, завершившиеся разработкой методов полного синтеза и практической реализацией низкомолекулярных биорегуляторов, включая такие важные, как простагландины, феромоны, ювеноиды и пиретроиды. Под его руководством развернута и успешно осуществляется первая в нашей стране и одна из самых заметных в мире программа исследований по применению металлокомплексного катализа и металлоорганических реагентов в тонком и крупнотоннажном органическом синтезе, позволившая открыть новые реакции и предложить перспективные методы синтеза органических соединений различных классов и структурных типов. Толстиков Г.А. интенсивно развивает исследования по химии природных соединений и медицинской химии. Важным результатом являются найденные ингибиторы репродукции особо опасных вирусов ВИЧ, Эбола, Марбург, герпес. Обнаружен эффект клатратообразования фармаконов с растительными гликозидами, проявляющийся в существенном расширении терапевтических свойств лекарственных препаратов. Созданы препараты с кардиотонической, иммуностимулирующей и психотропной активностью, корректоры цитостатиков. Организовано первое отечественное производство ветеринарных простагландинов. Под руководством Толстикова Г.А. разработаны промышленные технологии производства хлорсодержащих мономеров и гербицидов, аминов, катализаторов производства полиизопренового каучука и синтетической гуттаперчи, фенольных антиоксидантов и стабилизаторов, инсектицидов пиретроидного ряда, продуктов специального назначения. Член редколлегий ряда научных отечественных журналов. Делегат XXV съезда КПСС (1976 г.). Лауреат Государственной премии СССР (1990), Государственной премии РФ в области науки и техники (2003), Общенациональной неправительственной Демидовской премии (1995), премии РАН им. А.Н. Несмеянова (1999), премии НАН Беларуси-СО РАН им. В.А. Коптюга (2000). Автор более 1000 научных публикаций и свыше 5000 авторских свидетельств и патентов. Основные научные труды: Реакции гидроперекисного окисления. М.: Наука, 1976. - 200 с.; Алюминийорганический синтез. М.: Наука, 1979. - 290 с. (в соавт. с В.П. Юрьевым); Хемилюминесценция металлоорганических соединений. М.: Наука, 1989. – 219 с. (в соавт. c Р.Г. Булгаковым и В.П. Казаковым); Химия и хемилюминесценция 1,2-диоксетанов. М.: Наука, 1990. - 287 с. (в соавт. с В.П. Казаковым и Г.Л. Шариповым); Современные проблемы асимметрического синтеза. Екатеринбург: УрО РАН, 2003. 207 с. (в соавт. с А.Г. Толстиковым, И.Б. Ившиной, В.В. Гришко, О.В. Толстиковой, В.А. Глушковым, Т.Б. Хлебниковой, Н.Ф. Салахутдиновым, К.П. Волчо); Природные галогенированные органические соединения. Новосибирск: Изд-во СО РАН, фил. «Гео», 2003. - 366 с. (в соавт. с В.М. Дембицким); Солодка: биоразнообразие, химия, применение в медицине. Новосибирск: НП Академическое изд-во «Гео», 2007. – 311 с. (в соавт. с Л.А. Балтиной, В.П. Гранкиной, Р.М. Кондратенко, Т.Г. Толстиковой). Ключевые слова Органическая химия. Тонкий и индустриальный органический синтез. Металлокомплексы в органическом синтезе. Химия и технология низкомолекулярных природных и биологически активных веществ.