Более 20 лет заведовал ЛОР-отделением Вологодской городской больницы № 1, руководил отоларингологической службой город. В практику работы отделения А.А. Толстобровом внедрен ряд новых операций, в том числе при онкологических заболеваниях ЛОР – органов. Занимался научными исследованиями, результаты которых опубликованы в сборниках научных трудов. Участвовал в подготовке специалистов врачей-отоларингологов. Преподавал в медицинском училище и педагогическом институте.