В 1911 году Софья Андреевна Толстая дважды обращалась к Николаю II с просьбой принять Ясную Поляну под охрану государства, но получила отказ. Было решено назначить вдове писателя пенсию, которая отчасти шла на содержание усадьбы. С. А. Толстая всеми силами и средствами старалась хранить Ясную Поляну, оберегая неприкосновенность кабинета и спальни мужа, обстановки всего дома; ею были сделаны многочисленные записи на предметах быта и фотографиях, при её участии началось описание личной библиотеки Л. Н. Толстого; она привела в систему хранившиеся в усадьбе письма и оказывала помощь исследователям, работавшим над биографией писателя. Активное участие в жизни усадьбы принимали дети Л. Н. Толстого: Сергей Львович (автор первого путеводителя по Ясной Поляне, 1914) и Александра Львовна.

27 мая 1919 года Народный комиссариат просвещения выдал Александре Львовне Толстой охранную грамоту на Ясную Поляну, в которой удостоверялось, что усадьба и все находящиеся в доме Толстого вещи, имеющие «исключительную культурно-историческую ценность и являющиеся национальным достоянием, находятся под охраной государства».

В 1921 года во многом стараниями Александры Львовны усадьба Л. Н. Толстого была превращена в музей. 10 июня 1921 года вышло постановление ВЦИК о новом статусе Ясной Поляны. Хранитель музея должен был создать в Ясной Поляне культурно-просветительный центр с библиотекой, школой, организовывать чтение лекций, спектакли, выставки, экскурсии. «Комиссаром-хранителем» музея была назначена Александра Львовна Толстая. В 1921 году музей посетили 3147 человек.

С 1925 года шла напряжённая подготовка к столетнему юбилею Л. Н. Толстого (1928). К юбилею во флигеле Кузминских открылась первая выставка («Толстой в Ясной Поляне»), начали выходить тома 90-томного собрания сочинений Л. Н. Толстого, в Ясной Поляне открылась школа имени Л. Н. Толстого. А. Л. Толстая сыграла огромную роль в создании музея и его развитии в 1920-е годы. Но в 1929 году она была вынуждена навсегда покинуть Советский Союз.

В 1930-е годы особое внимание уделялось восстановлению и сохранению Ясной Поляны в исторически неприкосновенном виде. Началось изучение истории Ясной Поляны по документам и опросам современников Толстого; была восстановлена пасека, приводились в порядок сады, производились посадки деревьев взамен вымерших… Работы велись под руководством Ботанического сада Академии наук СССР.

В 1940 году мастера Государственной Третьяковской галереи отреставрировали произведения живописи в доме Толстого (полотна работы Репина, Ге, Крамского). Ясная Поляна была передана в ведение Академии наук СССР; музей стал превращаться в научно-исследовательский центр изучения наследия Л. Н. Толстого.

В 1941 году над Ясной Поляной нависла угроза оккупации. Было решено эвакуировать вещи из дома Толстого. Эвакуацию организовала внучка Л. Н. Толстого Софья Андреевна Толстая-Есенина, которая в 1941 году стала директором объединённых толстовских музеев. Подготовкой вещей к эвакуации занимался хранитель музея Сергей Иванович Щёголев. 13 октября 110 ящиков с экспонатами дома Толстого были отправлены в Москву, а затем в Томск.

Ясная Поляна была оккупирована в течение 45 дней. В ноябре 1941 года все три больших дома усадьбы надо было топить. Немцы долго использовали для этой цели толстовскую мебель. В комнате под сводами, где Лев Николаевич обычно писал, «новые хозяева» расклеили «изобразительную» продукцию вульгарно-фривольного свойства. В доме-музее они взломали все замки в шкафах и столах, растащили личные вещи Толстого, его родных и близких, уничтожили ценнейшие реликвии: коллекцию крестьянской одежды, бельё и посуду, книги. Немцы безжалостно вырубили парк и яблоневый сад, разрушили практически все хозяйственные постройки, скамейки, изгороди. В одной из комнат дома Толстого была устроена сапожная мастерская, в комнате Софьи Андреевны, жены Толстого, они соорудили казино, дом Волконских превратили в госпиталь.

Надругательство было совершено и над могилой Толстого: нацисты похоронили рядом с могилой великого писателя своих солдат и офицеров. В последний день своего пребывания в Ясной Поляне немцы сожгли Яснополянскую школу, амбулаторию, здание лесничества. Такая же участь была уготована и дому семьи Толстых. Вечером нацисты развели в нём костёр, затем быстро сели в машины и покинули Ясную Поляну.

От уничтожения мировую святыню спасли сотрудники музея-заповедника и яснополянские крестьяне. Пожар удалось потушить, и в усадьбе немедленно начались восстановительные работы. Первая реставрация была завершена к маю 1942 года. В мае 1945 года экспонаты дома Толстого вернулись на свои прежние места. Но восстановление Ясной Поляны продолжалось ещё долгое время.

В 1951 г. была проведена серьёзная реставрация дома Толстого; был восстановлен яблоневый сад, вымерзший во время войны, но воспоминаниям жителей деревни и фотографиям реконструированы хозяйственные постройки (кучерская изба, житня). В 1953 году на реставрационные работы в музее было выделено 6 млн. рублей.

В те годы особое значение приобрела фондовая работа. На каждый из 37 мемориальных объектов усадьбы сотрудники музея разрабатывали паспорта, содержащие точное описание объекта, его размеры, место расположения, назначение, фотографии. С 1950-х годов регулярно выходят в свет Яснополянские сборники научных статей; переиздаются путеводители по дому Толстого и заповеднику.

Начиная с 1950-х годов расширяется экспозиционная деятельность музея, постоянно сменяют друг друга выставки во Флигеле Кузминских и выставочных залах Дома Волконского; музей организует передвижные выставки; расширяются его фонды; растёт число посетителей.

В 1971 году (год 50-летия образования музея) Ясная Поляна приняла трёхмиллионного посетителя. 150-летие Л. Н. Толстого (1978 г.) ознаменовалось награждением музея орденом Ленина. К юбилею было полностью завершено издание библиографического описания книг на русском языке в библиотеке Толстого (в 2-х томах).

Постепенно Ясная Поляна превратилась в крупнейший мемориальный и природный музей-заповедник мирового значения.

Новый этап в истории музея начался в 1990-е годы, когда его директором стал праправнук Л. Н. Толстого — Владимир Ильич Толстой. Сегодня, по-прежнему уделяя внимание традиционным направлениям деятельности музея, Ясная Поляна развивается в новых направлениях, например: разработка альтернативных туристических программ, развитие культурного туризма на базе Ясной Поляны, но с выходом за её пределы; реализация мощного потенциала в области просвещения; возрождение народных традиций; расширение рекламной и издательской деятельности; внедрение новых технологий; сотрудничество с зарубежными странами. В структуру музея включается целый ряд филиалов.