В 1962 г. Толстиков возглавил ленинградскую парторганизацию, однако уже через несколько месяцев в Ленинградской области началось деление обкома «по отраслевому признаку». На долю Василия Сергеевича досталось руководство Промышленным обкомом, Сельский обком КПСС возглавил Г. И. Козлов. После отставки Хрущева партийное «двоевластие» в области было ликвидировано, и с декабря 1964 г. Толстиков вновь стал 1-м секретарем единого Ленинградского обкома КПСС. Его правление совпало с началом «косыгинской реформы», для которой Ленинград стал своеобразным «опытным полем». Именно здесь возникли первые в стране производственные объединения – «Электросила», «ЛОМО», «Светлана» и др.
При Толстикове в городе были построены такие объекты, как телевизионная башня, мост Александра Невского, Театр юного зрителя (ТЮЗ), Концертный зал «Октябрьский», Дворец спорта «Юбилейный» и др. Однако в культурной жизни этот же период знаменовался концом эпохи «оттепели». Своеобразным признаком грядущих «заморозков» стал процесс над «тунеядцем» И. В. Бродским. Примерно тогда же в обиход питерской интеллигенции вошло новое понятие «диссидент».
Стиль и методы, при помощи которых Толстиков руководил городом, всегда соответствовали «генеральной линии партии».
Его неожиданное смещение с поста 1-го секретаря обкома, судя по всему, объяснялось не какими-либо промахами, а стремлением Л. И. Брежнева избавиться от потенциального соперника. Василия Сергеевича направили послом в Китай – страну, отношения с которой в то время балансировали на грани войны. По прибытии в Пекин дорогу его машине перекрыли военные патрули и толпы демонстрантов. Толстиков приказал шоферу давить на газ. Китайцы бросились врассыпную, и автомобиль «со свистом» въехал за ворота дипломатической миссии. Выбравшись из машины, Василий Сергеевич отдал распоряжение: «Двери оставить открытыми. И так в советском посольстве будет каждый день с 8 утра до 8 вечера».
В 1978 г. Толстикова перевели послом в тихую Голландию, а еще через четыре года в связи с достижением пенсионного возраста отозвали в СССР и отправили на заслуженный отдых, и до последних дней он проживал со своей супругой в Петербурге на Петроградской стороне.