Родился в деревне Андроники Ярославской области (Россия) в крестьянской семье. Окончил церковно-приходскую школу. Учился в земском училище. После смерти отца переехал в Петербург. В 1912 г. окончил Петербургское коммерческое училище. В де­кабре 1914 г. был призван на военную службу. В 1915 г. по окончании офицерской школы в городе Ораниен­баум (ныне Ломоносов) направлен на Юго-Западный фронт. Участвовал в «Брусиловском прорыве», во время которого проявил себя храбрым и волевым офицером. Был дважды ранен и контужен. За боевые отличия награжден двумя офицерскими орденами — Анны и Станислава. С 1918 г. в Красной Армии. Во вре­мя Гражданской войны на руководящих должностях в Ярославской губернии. Принимал участие в боях на Северном и Западном фронтах. В 1927 г. окончил стрелково-тактические курсы усовершенствования комсостава «Выстрел», в 1934 г. — Военную академию имени М. В. Фрунзе. С сентября 1937 г. командир стрел­ковой дивизии, с июля 1938 г. начальник штаба Закав­казского военного округа. С началом Великой Отечест­венной войны был начальником штаба Закавказско­го, Кавказского, Крымского фронтов, заместителем командующего войсками Сталинградского военного округа. С июля 1942 г. командовал войсками 57-й и 68-й армий на Южном и Северо-Западном фронтах. С марта 1943 г. командующий войсками Южного, 4-го и 3-го Украинских фронтов. Одновременно с сентября 1944 г. являлся председателем Союзной контрольной комиссии в Болгарии, в составе советской делегации участвовал в Славянском конгрессе. После войны Толбухин  Ф. И. был главнокомандующим Южной группы войск, затем командовал войсками Закавказского военного округа.

Прах захоронен в Кремлёвской стене на Красной площади в Москве.

Награждён орденами: «Победа», двумя Ленина, тремя Красного Знамени, двумя Суворова I степени, Красной Звезды, медалями, а также иностранными ор­денами и медалями.

Именем Толбухина Ф. И. в 1949 г. названа улица в Первомайском районе. На доме №1 установлена ме­мориальная доска. В 1960-х гг. разбит бульвар имени Толбухина Ф. И.

На улице расположены: Фонд социальной защи­ты населения Ленинского, Советского и Первомайского районов Минска,  Дом кино.

С началом Великой Отечест­венной войны был начальником штаба Закавказско­го, Кавказского, Крымского фронтов, заместителем командующего войсками Сталинградского военного округа. С июля 1942 г. командовал войсками 57-й и 68-й армий на Южном и Северо-Западном фронтах. С марта 1943 г. командующий войсками Южного, 4-го и 3-го Украинских фронтов.

Указом Президиума Верховного Совета СССР от 7 мая 1965 года за умелое руководство войсками, мужество, отвагу и героизм, проявленные в борьбе с немецко-фашистскими захватчиками в годы Великой Отечественной войны Маршалу Советского Союза Толбухину Федору Ивановичу присвоено звание Героя Советского Союза (посмертно).

Толбухин Федор Иванович // Герои Советского Союза : краткий биографический словарь : [в 2 т.] / Министерство обороны СССР, Главное управление кадров, Институт военной истории, Центральный архив ; [А. А. Бабаков (руководитель) и др.] ; редколлегия : И. Н. Шкадов (председатель) [и др.]. — Москва : Воениздат, 1988. — Т. 2. — С. 590.

Толбухин Федор Иванович // Их именами названы... Улицы Минска : энциклопедический справочник / [редколлегия : В. В. Андриевич (главный редактор) и др.]. — Минск : Беларуская Энцыклапедыя, 2014. — С. 393.

Толбухин Федор Иванович // Минск : энциклопедический справочник / Белорусская Советская Энциклопедия ; [редколлегия : И. П. Шамякин (главный редактор) и др.]. — Изд. 2-е, дополненное и переработанное. — Минск : Белорусская Советская Энциклопедия, 1983. — С. 405.