Илья Толстой покинул Советскую Россию в 1924 году. Сразу после переезда в США он проявил себя как страстный путешественник и эксперт в различных сферах науки и техники. Окончив университет, он отправился изучать природу Аляски, где участвовал в проектировании нового национального парка.
Там он занялся исследованием редких видов животных, проведя месяц в диких условиях среди опасных койотов, изучая их повадки и среду обитания. Он снимал документальные фильмы, живя среди канадских индейцев, а также во время экспедиций по Центральной и Южной Америке. Кроме того, он внес вклад в развитие подводной съемки и основал первый в мире дельфинарий во Флориде.
Благодаря аристократическому происхождению и харизме Илья Толстой быстро стал своим в американских высших кругах.
В США он занял пост вице-президента Толстовского центра, которым руководила его тетя, Александра Львовна Толстая. Через эту организацию прошли десятки тысяч русских эмигрантов и беженцев: им помогали получить гражданство в странах Северной и Южной Америки, а также находили работу в США. В 1956 году Толстой отправился в Гонконг, где скопилось 16 тысяч русских беженцев из Харбина и Шанхая. Они отказались возвращаться в СССР, а в Китае их лишили гражданства. Благодаря его усилиям ситуация была урегулирована. Он также оказывал поддержку тибетским беженцам.
Со временем Толстой стал весьма обеспеченным человеком. Он учредил трастовый фонд с капиталом в 1,6–1,8 млн долларов, предназначенный, как он сам говорил, «для максимальной пользы моих детей и внуков, живущих в России». В США он не создал новую семью и не имел других детей.