Nguyễn Khánh Toàn sinh ngày 1 tháng 8 năm 1905 tại thành phố Vinh, tỉnh Nghệ An trong một gia đình công chức nghèo. Quê gốc làng Thanh Lương, xã Hương Xuân, huyện Hương Trà, tỉnh Thừa Thiên Huế.

• Năm 1926, vì những hoạt động chống Pháp, mặc dù học rất giỏi nhưng sau khi tốt nghiệp Trường Cao đẳng Sư phạm Đông Dương, ông không được bổ nhiệm làm việc ở bất cứ một trường công nào.
• Cùng năm đó, ông đứng ra làm chủ nhiệm, kiêm chủ bút tờ "Le Nhà quê". Mới ra được số đầu thì bị thống đốc Nam Kỳ ra lệnh đình chỉ và bắt giam.
• Năm 1927, ông bị xử án treo. Sau đó luật sư Phan Văn Trường mời ông làm chủ bút báo L’Annam nhưng cũng bị xử 2 tháng án treo.
• Năm 1928, Nguyễn Khánh Toàn đệ đơn lên Thống đốc Trung Kỳ xin đi Pháp.
• Năm 1929, ông sang học tại Trường Đảng Liên Xô theo giới thiệu của Đảng Cộng sản Pháp.
• Năm 1930, Quốc tế Cộng sản giới thiệu ông làm nghiên cứu sinh sử học với đề tài "Chiến tranh nông dân ở Đông Dương vào thế kỷ XVIII - Khởi nghĩa Tây Sơn" và nhận học vị tiến sĩ tại Khoa Sử, Đại học Phương Đông (Liên Xô). Do có những đóng góp tích cực, ông đã được Quốc tế Cộng sản giao trọng trách là Phó Ban Đông Dương.
• Năm 1939, ông được điều động về Trung Quốc hoạt động với nhóm Cộng sản Việt Nam ở Diên An. Tại đây ông tham gia giảng dạy Khoa Lịch sử cách mạng thế giới và Khoa tiếng Nga với bí danh Hoàng Chính Quang
• Năm 1946, ông được bổ nhiệm làm Thứ trưởng Bộ Giáo dục.
• Năm 1960, ông được cử làm Phó chủ nhiệm Uỷ ban Khoa học Nhà nước.
• Từ năm 1965 đến năm 1982, sau khi Ban Khoa học Xã hội tách khỏi Uỷ ban Khoa học Nhà nước để đổi thành Viện Khoa học Xã hội rồi Uỷ ban Khoa học Xã hội (nay là Viện Khoa học Xã hội Việt Nam), ông được bổ nhiệm làm Chủ nhiệm cơ quan nghiên cứu khoa học này cho đến ngày nghỉ hưu.
• Ông là Ủy viên Dự khuyết Ban Chấp hành Trung ương Đảng khóa III (1960 - 1976), đại biểu Quốc hội các khóa II và III (1960 - 1971).
• Ông từng là Chủ tịch Hội đồng chỉ đạo nghiên cứu, phiên dịch và xuất bản Đại Việt sử ký toàn thư
• Ông được bầu làm viện sĩ nước ngoài Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô và Viện Hàn lâm Khoa học CHDC Đức.
• Ông mất ngày 9 tháng 12 năm 1993, hưởng thọ 88 tuổi.
• Năm 1996, Ông được Chính phủ truy tặng Giải thưởng Hồ Chí Minh về khoa học cho "Cụm những công trình thuộc lĩnh vực sử học, trong đó nổi bật 2 cuốn: Vài nhận xét về thời kỳ cuối nhà Lê đến nhà Nguyễn Gia Long (1954) và Vấn đề dân tộc trong cách mạng vô sản (1960)
• Năm 2008, ông được Nhà nước truy tặng Huân chương Sao Vàng [1]