В Мологе Лев Сергеевич завершил обучение в средней школе и вступил в ряды ленинского комсомола. В 1932 году он был призван в Красную армию. В 1939 году успешно окончил военно-промышленный факультет Военной академии механизации и моторизации РККА, ныне известной как Общевойсковая академия Вооруженных сил Российской Федерации. После завершения академического обучения в 1936 году он служил на 22-м научно-испытательном автобронетанковом полигоне Управления механизации и моторизации РККА в Кубинке. Танки стали основной страстью Л. С. Толоконникова. Он принимал участие в боевых действиях на Халхин-Голе. Начиная с 1940 года занимал должности адъюнкта и младшего преподавателя на кафедре Академии бронетанковых и механизированных войск.

В июне 1941 года Льва Сергеевича призвали на фронт, в танковые части, но очень скоро он был «внезапно отозван с фронта в числе десятков и сотен опытных преподавателей согласно приказу НКО от 13 октября 1941 года о переходе академий на штаты военного времени: советское командование уже в те начальные годы войны сумело заглянуть далеко в неминуемую Победу и дать указание готовить танкистов на послевоенную перспективу»[284] .

После войны Л. С. Толоконников был приглашен в разведку и в 1947 году направлен в США для работы «под прикрытием» Генерального консульства в Нью-Йорке. Вскоре он был переведен в Вашингтон на должность 1-го секретаря посольства СССР в США.

При очередном реформировании разведки Лев Сергеевич, будучи опытным кадровым военным, был переведен в военную разведку – Главное разведывательное управление Генерального штаба Вооруженных сил СССР.

Работая в центральном аппарате ГРУ, Л. С. Толоконников вел значительную оперативную деятельность, неоднократно выезжая в Финляндию, Францию, Бельгию и Швейцарию для конспиративных встреч со своими «подопечными».

В 1956 году Л. С. Толоконникову было присвоено звание генерал-майора. Позднее он стал резидентом советской военной разведки в Великобритании, а в 1967 году уже в звании генерал-полковника был назначен заместителем начальника ГРУ СССР.

Отставка последовала в 1975 году, после чего он скончался 30 ноября 1976 года.

Женой Л. С. Толоконникова с 1937 года была Анна Платоновна Слупская (1918–1986), происходившая из семьи священника. Ее отец, Платон Дариевич Слупский, был выпускником Санкт-Петербургской Духовной академии, но не сделал карьеру в священнослужении, а с 1908 года был приписан к налоговому управлению Императорского министерства финансов, и на службе «проявил свойственное его натуре рвение, за что был даже удостоен высокой чиновничьей награды – перстня с вензелем императрицы Александры Федоровны»[285] .