Im Januar 1944 gehörte er der „Sonderkommission für die Feststellung und Untersuchung der Gräueltaten der deutsch-faschistischen Eindringlinge und ihrer Komplizen“ an sowie einer Kommission unter Leitung des Gerichtsmediziners Nikolai Burdenko, die die Massengräber von Katyn untersuchen sollte. Tolstoi gehörte zu den Unterzeichnern des Berichtes der Burdenko-Kommission, dem zufolge die „Deutschfaschisten“ die polnischen Kriegsgefangenen ermordet haben. Russische Literaturhistoriker sehen seine Teilnahme auch als Bewährungsprobe an: Stalin hatte kurz zuvor seinen Roman "Peter der Große" und die Erstfassung seines Dramas "Iwan IV." kritisiert. Von Tolstoi wurde demnach erwartet, dass er seinen Teil dazu beitrug, westliche Journalisten, die zur Präsentation der Burdenko-Kommission kamen, von der Korrektheit der sowjetischen Version zu überzeugen. Sein Enkel Iwan Tolstoi, Literaturhistoriker und Redakteur bei Radio Liberty in Prag, teilte 2014 in einem Artikel mit, dass sein Großvater unter dem Siegel der Verschwiegenheit seinem Sohn gegenüber große Zweifel an dem Bericht der Burdenko-Kommission geäußert habe; vielmehr seien er und andere Mitglieder der Kommission durchaus von der Täterschaft der Geheimpolizei NKWD überzeugt gewesen.