Ông viết văn từ trước năm 1945, với các thể loại truyện phong phú, đa dạng. Các tác phẩm chính của ông là:

• Dế Mèn phiêu lưu ký (truyện dài, 1941)
• Giăng thề (tập truyện ngắn, 1941)
• O chuột (tập truyện ngắn, 1942)
• Quê người (tiểu thuyết, 1942)
• Nhà nghèo (tập truyện ngắn, 1944)
• Cỏ dại (hồi kí, 1944)
• Núi cứu quốc (truyện ngắn, 1948)
• Xuống làng (tập truyện ngắn, 1950)
• Đại đội Thắng Bình (ký, 1950)
• Truyện Tây Bắc (tập truyện, 1953)
• Khác trước (truyện vừa, 1957)
• Mười năm (tiểu thuyết, 1957)
• Một số kinh nghiệm viết văn của tôi (1959)
• Thành phố Lênin (ký sự, 1961)
• Vỡ tỉnh (tập truyện ngắn, 1962)
• Người bạn đọc ấy (kinh nghiệm sáng tác, 1963)
• Tôi thăm Campuchia (ký, 1964)
• Miền Tây (tiểu thuyết, 1967)
• Nhật kí vùng cao (nhật kí, 1969)
• Tuổi trẻ Hoàng Văn Thụ (tiểu thuyết, 1971)
• Người ven thành (tập truyện ngắn, 1972)
• Sổ tay viết văn: những chia sẻ về kinh nghiệm cầm bút (kinh nghiệm sáng tác, 1977)
• Tự truyện (1978)
• Trái Đất tên người (ký, 1978)
• Những ngõ phố, người đường phố (tiểu thuyết, 1980)
• Quê nhà (tiểu thuyết, 1981)
• Hoa hồng vàng song cửa (tập bút ký, 1981)
• Nhớ Mai Châu (tiểu thuyết, 1988)
• Cát bụi chân ai (hồi kí, 1992)
• Nghệ thuật và phương pháp viết văn (kinh nghiệm sáng tác, 1997)
• Chiều chiều (tiểu thuyết, 1999)
• Truyện Nỏ thần (truyện thiếu nhi, 2003)
• Ba người khác (tiểu thuyết, 2006)
• Mẹ mìn bố mìn (truyện thiếu nhi, 2007)
• Chuyện cũ Hà Nội (ký sự, 2010)
• Đảo hoang (tiểu thuyết, 2011)
• Nhà Chử (truyện thiếu nhi, 2012)
• Truyện li kì (tập truyện ngắn, 2012)
• Những ký ức không chịu ngủ yên (tự truyện, 2017)
• Giữ gìn 36 phố phường (tập tạp văn, 2017)
• Người con gái xóm Cung (tuyển tập truyện ngắn, 2017)

Truyện dài Dế Mèn phiêu lưu ký được ông viết xong vào tháng 12 năm 1941 tại Nghĩa Đô, ngoại ô Hà Nội khi đó. Đây là tác phẩm rất nổi tiếng của ông dành cho thiếu nhi.

Tác phẩm gần đây nhất của ông là Ba người khác. Sách được viết xong năm 1992 nhưng đến 2006 mới được phép in, nội dung viết về thời kỳ cải cách ruộng đất tại miền Bắc Việt Nam, đã gây tiếng vang lớn và có thể so sánh với Dế Mèn phiêu lưu ký, "đã mở ra diện mạo mới cho văn chương Việt Nam" trong nền văn học hiện thực.[3][4][5]

Trong cuộc đời sáng tác, ông đã dùng nhiều bút danh khác ngoài Tô Hoài như Mai Trang, Mắt Biển, Thái Yên, Vũ Đột Kích, Hồng Hoa và Phạm Hòa.