Знакомство Толстого с Марксом началось в конце 1845 года. Тогда, перед очередной поездкой в Петербург, Толстой послал Марксу письмо в Германию, приложив рекомендации П.В. Анненкова, с которым познакомился еще в ноябре 1841 года, когда тот занял должность чиновника Министерства финансов при посольстве России в Париже. В письме Толстой изъявил желание помочь Марксу материально из своих скудных средств, получаемых из России, передав их в поддержку революции. Маркс, получивший после этого положительный отзыв о Толстом от Бакунина, склонялся было принять этот дар, но в это время репутации Толстого повредил скандал, развязанный еще одним политическим эмигрантом из России — неким Головиным.
Тот в 1845 году сумел издать во Франции книгу «Россия Николая I», на которую Толстой ответил критической статьей в еженедельнике «Котидьенн», вышедшей под обычным его псевдонимом «Яковлев». Обиженный Головин откликнулся статьей, где прямо указывал на сотрудничество Толстого с III отделением.
К обвинениям присоединилась и немецкая оппозиционная газета «Аугсбургер альгемайне цайтунг», поместившая в номере от 16 июля 1846 г. следующее упоминание о Толстом; «…Вне русского официального посольства, или скорее над ним, стоит некий Толстой. Он не занимает определенной должности, но известен как доверенное лицо двора. Он живет на широкую ногу, встречается со всеми, принимает всех, занимается всем, все знает и очень много устраивает. Кажется, что именно он является действительным русским посланником в Париже. Его заступничество производит чудеса — все поляки, которые просили помилования, обращались к нему. В посольстве все склоняются перед ним, а в Петербурге он пользуется большим влиянием. Переехав с улицы Труафрер в дом, принадлежащий академику Жуй на улицу Монтань, он содержит еще представительскую квартиру на улице Матюрэн, где принимает дипломатов».
В разгар скандала Толстой переехал в Лондон. В Париж он вернулся в 1847 году, когда шум вокруг его имени утих, а Бакунин и Анненков выступили в его поддержку. Анненков даже написал Марксу в октябре 1846 года, что Толстого, которого они оба знали, возможно, перепутали с одним из его многочисленных однофамильцев, и охарактеризовал его «честным, простым и прямым человеком», в чем Маркс усомнился.
В феврале 1848 года, когда во Франции началась революция, о приближении которой Толстой писал с 1844 года, ему пришлось срочно покинуть Париж и перебраться в Брюссель. При обыске в архивах МВД и префектуре Парижа новое революционное правительство обнаружило документы, косвенно свидетельствующие о контактах французской полиции с III отделением, которые шли через Толстого. Одновременно бывший посланник России в Турине и Штутгарте Обресков, воодушевленный развернувшейся в Европе революцией, опубликовал во французской прессе «анекдот» о Якове Толстом, разгласив доверенные ему по службе сведения о подлинной роли Толстого при посольстве.
Однако, когда схлынула первая волна революционной активности, оказалось, что в министерства и парламент Франции пришли многие прежние друзья и помощники Толстого, прежде всего из просветительских и газетных кругов. Поэтому в марте 1848 года Толстой вернулся в Париж и снова развил активную деятельность. Он почти ежедневно направлял в Россию информацию — краткие шифрованные послания с посольской почтой через посла Киселева и пространные отчеты через Брюссель, где он успел наладить, запасной канал связи, поскольку его собственная корреспонденция из Парижа перлюстрировалась.
С марта по декабрь 1848 года Толстой вел постоянное визуальное наблюдение за событиями на улицах Парижа — рабочими демонстрациями, выступлениями польских и немецких эмигрантов, парадами войск, предвыборными митингами, о которых слал подробные сообщения. Кроме этого, он активно задействовал агентуру. Например, в письме к своему куратору Сагтынскому от 20 февраля 1848 г. он упомянул некоего Анри Мюриса, сына портье в доме Толстого, которого он принял на службу переписчиком, а затем пристроил курьером в две крупные редакции. За 100 франков (25 рублей по тогдашнему курсу) в месяц тот не только осведомлял Толстого о наиболее интересных событиях, но и передавал ему черновики из бумажных корзин, по которым Толстой получал некоторые дополнительные сведения о политической обстановке.
Уже в марте 1848 года Толстой отправил в Россию подробный список членов нового республиканского правительства, приложив пространные описания их личных качеств и политических амбиций. Такие же материалы он выслал по расстановке политических сил в парламенте. В сентябре 1848 года, когда Россия планировала военные действия в Венгрии по подавлению разгоравшейся там революции, Толстой через своих агентов в Военном министерстве сумел достать и переслать в Россию полный обзор по французской армии, включавший ее численный состав и размещение — до батальона включительно, а также вооружение, материальную часть, политические настроения и бюджетные затраты на ее финансирование. Полученная от него информация помогла военному министру графу Чернышеву четко спланировать предстоящие военно-политические акции в Венгрии.
В декабре 1848 года во Франции состоялись президентские выборы, на которых победил внучатый племянник Наполеона Луи-Наполеон Бонапарт. Еще за два месяца до выборов Толстой, оперируя имеющейся у него парламентской информацией, спрогнозировал победу Наполеона, выслав в Петербург подробное описание его политической программы и предвыборной стратегии.
Победа Луи-Наполеона, завершившая период французской революции, заставила Толстого вернуться к рутинным обязанностям. Поскольку состоявшиеся разоблачения затруднили его работу в среде эмигрантов из России, он сосредоточил внимание на добывании политической информации, сочетая это с деятельностью публициста. В 1849 году он издал вторую часть биографии Паскевича, предварив ее рассуждением о вреде революций вообще. Критикуя события 1848 года в Европе, он прославлял русскую армию, «разрубившую драму венгерского восстания тупой стороной меча».
Начиная с марта 1850 года Толстой стал посылать тревожные сообщения о росте русофобии в Великобритании, озабоченной усилением русских позиций в Азии. В письме от 27 марта 1850 г. он впервые упомянул о намерениях англичан «уничтожить русский флот и сжечь Севастополь». Однако сменивший Бенкендорфа новый шеф тайной полиции граф А.Ф. Орлов мало интересовался анализом международного положения, идущим от Толстого.
Власти проявили интерес к сообщениям Толстого только в декабре 1851 года, накануне государственного переворота Луи-Наполеона. За день до разгона парламента, 2 декабря 1851 г., «верный человек» сообщил Толстому о предстоящих событиях и о выдвижении войск к Парижу. Толстой незамедлительно отправил шифровку в Петербург и слал ежедневные реляции до 10 декабря, когда, по выражению Гюго, «Наполеон Малый» утвердился на престоле.
Толстой продолжал поставлять российским властям секретную информацию, поступавшую к нему из министерств, сената и парламента Франции и после коронации Наполеона III. С мая 1853 года он постоянно упоминал в сообщениях о готовящейся войне против России, инициатором которой выступала Великобритания, сумевшая привлечь на свою сторону Турцию и Францию. В конце 1854 года Толстой поспешил покинуть Францию, будучи убежденным в неизбежности войны и разрыве дипломатических отношений. Он переехал в Бельгию, где имел к этому времени очень ценного информатора — правительственного чиновника Вальферса, который работал на Россию, против Франции, стремясь за счет ее ослабления добиться большей самостоятельности для Бельгии.
Вершиной профессиональной карьеры Толстого стала его разведывательная деятельность в Севастопольскую кампанию. Еще в конце 1840-х годов ему удалось завербовать некоего Паскаля, секретаря известного военного теоретика генерала Жомини, долгое время состоявшего на русской службе. После этого Паскаль был военным обозревателем журнала «Спектатер милитер», откуда он сообщал Толстому важные сведения о военной доктрине и вооруженных силах Франции. С приходом к власти Наполеона III ярый бонапартист Паскаль стал его военным секретарем… и наиболее осведомленным агентом России в окружении императора Франции. В Севастопольскую кампанию через Паскаля шла вся военная информация, за которую Толстой платил часто и щедро. По отлаженным каналам связи копии бумаг из Парижа попадали в Брюссель, откуда шли в Генеральный штаб в Петербурге, где сам Толстой трудился в молодые годы…
