Laureato in giurisprudenza a Padova nel 1867, rimane nello stesso Ateneo in qualità di assistente, sino al 1872, trasferendosi successivamente a Venezia, a Modena e, infine, a Pisa, dove rimane come professore fino alla morte.

Nel 1878, sposa Maria Schiratti, dalla quale ha sette figli. La sua è un'esperienza di famiglia ricca di tenerezza e di preghiera, una famiglia dove la Parola di Dio è di casa.

Comincia a interessarsi attivamente all'Opera dei Congressi. Nel clima culturale del tempo, si impegna perché i cattolici siano presenti nella società civile. In quel momento essi cominciano a formare associazioni a tale scopo.

Il 29 giugno 1867, nasce la Società della Gioventù Cattolica Italiana, primo nucleo dell'Azione Cattolica Italiana e, dopo la parentesi per la presa di Roma del 1870, si giunge al settembre 1875, quando, durante il II Congresso generale dei cattolici italiani, si stabilisce di promuovere, come organizzazione stabile, l'Opera dei Congressi e dei Comitati cattolici, il cui primo presidente è Giovanni Acquaderni, fondatore, con il conte Mario Fani, dell'Azione Cattolica.

Sulla scia di questa organizzazione, il 29 dicembre 1889, a Padova, viene costituita l'Unione cattolica per gli studi sociali, il cui presidente e fondatore è proprio Giuseppe Toniolo il quale, nel 1893, dà vita alla "Rivista internazionale di scienze sociali e discipline ausiliarie".

Toniolo elabora una sua teoria sociologica, che afferma il prevalere dell'etica e dello spirito cristiano sulle dure leggi dell'economia. Nei suoi numerosi scritti, propone varie innovazioni: il riposo festivo, la limitazione delle ore lavorative, la difesa della piccola proprietà, la tutela del lavoro delle donne e dei ragazzi.

Dal punto di vista religioso, è fautore di un'azione più incisiva dei cattolici in campo sociale. Dal 1894 in poi, diviene uno degli animatori del movimento della "democrazia cristiana". Difende il valore economico-sociale della religione, conciliando così fede e scienza. Nel 1908, pubblica il Trattato di economia sociale.

Dopo lo scioglimento dell'Opera dei Congressi, Toniolo è incaricato di redigere i nuovi statuti del movimento cattolico. Nel 1906 è nominato presidente dell'Unione Popolare, che ha il compito di coordinamento generale delle attività in campo cattolico. Su suo impulso, nel 1907 iniziano le Settimane sociali. Porta avanti il suo servizio ecclesiale con fedeltà alla Chiesa, stimato dai pontefici del suo tempo. Preoccupato della guerra in corso, elabora uno statuto di diritto internazionale della pace che affida al Papa.

Muore nel giorno dedicato alla Madonna del Rosario, che egli è solito invocare ogni giorno.

Le sue spoglie mortali riposano nella Chiesa di S. Maria Assunta a Pieve di Soligo. A Pisa la sua casa porta ancora intatti i segni della sua vita santa e operosa. Visse tra il Veneto e la Toscana, ma di lui si può dire, come di pochi altri, che appartiene all'intera Italia cattolica.

È stato dichiarato Venerabile il 14 giugno 1971

Il 14 gennaio 2011 il Santo Padre ha autorizzato la promulgazione del decreto del miracolo attribuito all'intercessione del Venerabile Servo di Dio.