В сентябре 1938 года направлен на учебу в Академию Генштаба РККА. В сентябре 1939 года по приказу наркома обороны СССР майор Толстов был отозван со 2-го курса и назначен начальником штаба 72-й стрелковой дивизии 12-й армии. В ее составе принимал участие в походе Красной армии в Западную Украину (Винница, Львов, Стрый, Перемышль, Калуш). В конце 1939 года убыл с дивизией на Северо-Западный фронт и участвовал в Советско-финляндской войне 1939—1940 гг. Дивизия вела боевые действия севернее Ладожского озера в районе Питкяранта, находясь в подчинении 8-й, затем 15-й армий. За образцовое выполнение боевых заданий Командования на фронте борьбы с финской белогвардейщиной и проявленные при этом доблесть и мужество майор Толстов был награжден орденом Красного Знамени. Весной и летом 1940 года он в составе дивизии принимал участие в походах Красной армии в Северную Буковину и Бессарабию. С июля 1940 года по сентябрь 1941 года состоял в распоряжении отдела спецзаданий Разведывательного управления Генштаба Красной армии (находился в командировке в Китае).