За годы работ Ф.В. Токаревым были разработаны различные образцы автоматических винтовок и карабинов с коротким ходом ствола: 1921, 1922, 1924, 1925, 1926, 1928, 1929 гг., часть из них участвовала в испытаниях автоматических винтовок 1926 и 1928 гг. В 1930 году Ф.B. Токарев представил на испытания самозарядную винтовку с неподвижным стволом, перезаряжение которой достигается силой отведённых пороховых газов, за ней последовали модели 1931 и 1932 гг. B 1933 году конструктор устанавливает газовую камеру над стволом, переносит прицельную колодку с крышки ствольной коробки на её переднюю часть, заменяет рамочный прицел секторным, увеличивает ёмкость магазина до 15 патронов и делает его отъёмным. На базе этой винтовки Токарев в 1934 году разработал автоматический карабин (в дальнейшем его основные технические решения были использованы в СВТ-38). После ряда испытаний 1935—1936 годов, в которых принимали участие образцы винтовок Токарева 1935 и 1936 годов, на вооружение была принята автоматическая винтовка Симонова (АВС-36).

22 мая 1938 года приказом народного комиссара обороны и народного комиссара оборонной промышленности был объявлен конкурс на разработку самозарядной винтовки. Конкурсные испытания проходили с 25 августа по 3 сентября 1938 года на них были представлены системы Токарева, Симонова, H.B. Рукавишникова и др., основанные на использовании отвода пороховых газов. 20 ноября 1938 года состоялись окончательные испытания. По их итогам 26 февраля 1939 года на вооружение РККА была принята «7,62-мм самозарядная винтовка системы Токарева образца 1938 года (СВТ-38)». Для освоения серийного производства СВТ-38 на Тульском оружейном заводе было создано Единое конструкторское бюро.

19 января 1939 года Симонов доложил ЦК ВКП(б) о том, что он ликвидировал все обнаруженные недостатки своей винтовки. 20 мая 1939 года была создана комиссия для сравнения и оценки в производственно-экономическом отношении самозарядных винтовок Симонова и Токарева. Комиссия пришла к заключению, что винтовка Симонова (СВС) более проста в изготовлении, требует меньшего расхода металла и материала и дешевле. Вопрос о самозарядной винтовке рассматривался на заседании Комитета Обороны. В отличие от симоновской винтовка Токарева уже дважды прошла полигонные испытания, показав неплохие результаты, и её производство начало развёртываться. 17 июля 1939 года Комитет Обороны, руководствуясь стремлением быстрее перевооружить РККА самозарядными винтовками по личному указанию Сталина, принял решение все усилия наркомата вооружения сосредоточить на производстве СВТ-38. Сыграло роль и то, что Токарева хорошо знал Сталин, имя Симонова ему мало что говорило.

Первым освоил выпуск токаревских винтовок Тульский оружейный завод, прекративший в связи с этим производство винтовок Мосина. При организации производства винтовки широко внедрялись автоматизация, механизация и поточное производство. Всё это позволило в невиданно короткие сроки, менее чем за шесть месяцев, наладить выпуск токаревских винтовок. 16 июля 1939 года была изготовлена первая винтовка Токарева образца 1938 года, с 25 июля началась регулярная сборка винтовок малыми партиями, а с 1 октября — валовой выпуск. В 1940 году винтовки Токарева начал изготавливать Ижевский оружейный завод вместо снятых с производства автоматических винтовок АВС-36.

Самозарядная винтовка Токарева получила первое боевое применение во время советско-финской войны 1939—1940 гг. На основе опыта её боевого использования, а также войсковых и полигонных испытаний Комитет Обороны 13 апреля 1940 года принял постановление о принятии на вооружение РККА модернизированной винтовки Токарева под наименованием «7,62-мм самозарядная винтовка системы Токарева образца 1940 года (СВТ-40)». В июне 1940 года выпуск СВТ-38 был прекращён.

В процессе модернизации винтовки в неё были внесены некоторые конструктивные и технологические изменения, улучшающие её боевые и эксплуатационные качества. Однако от ряда недостатков, требовавших для их устранения коренной переделки, не удалось избавиться. Такими недостатками являлись: неудобство газорегулировки, возможность утери отъёмного магазина, чувствительность к загрязнению, запылению, густой смазке, высокой и низкой температурам. Также предполагалось уменьшить вес и габариты винтовки, однако вскоре выяснилось, что простое уменьшение размеров приводило к сбою в работе автоматики, поэтому винтовке сохранили её размеры, лишь уменьшили длину штыка. Массу СВТ-40 удалось снизить за счёт более тонких деревянных деталей и значительного количества дополнительных отверстий в кожухе.

С 1 июля 1940 года началось изготовление самозарядной винтовки Токарева образца 1940 года с одновременным свёртыванием производства магазинных винтовок обр. 1891/30 г. B июле было изготовлено 3416 шт., в августе — 8100, в сентябре — 10 700 и за 18 дней октября — 11 960 шт.

В 1940 году была разработана и поступила на вооружение снайперская винтовка СВТ-40, тогда же было прекращено производство снайперских магазинных винтовок обр. 1891/30 гг. Специально для СВТ был разработан оптический прицел ПУ обр. 1940 г. Снайперская самозарядная винтовка отличалась от основного образца лишь кронштейном с оптическим прицелом и более тщательной обработкой канала ствола. Она имела значительно большее рассеивание, чем снайперская винтовка обр. 1891/30 г., и все попытки улучшения кучности снайперских СВТ-40 показали, что без коренной переделки системы выполнить эту задачу невозможно. Поэтому в начале 1942 г. было восстановлено производство магазинных снайперских винтовок обр. 1891/30 г., а с 1 октября 1942 г. прекращён выпуск снайперских СВТ-40. За 1941 г. было изготовлено 34 782 снайперских СВТ-40, за 1942 г. — 14 210.

20 мая 1942 года Государственный Комитет Обороны принял постановление о производстве автоматической винтовки Токарева образца 1940 года (АВТ-40), которая с июля начала поступать в действующую армию. АВТ-40 по своему устройству была аналогична СВТ-40, но благодаря наличию переводчика, роль которого выполнял предохранитель, могла вести как одиночный, так и непрерывный огонь. Автоматическая винтовка Токарева предназначалась для выполнения тех же задач, что и самозарядная винтовка, поэтому основным видом её огня был одиночный. Стрельба короткими очередями допускалась лишь при недостаточном количестве ручных пулемётов, а непрерывным огнём — в исключительных случаях в момент наибольшего напряжения боя. АВТ-40 позволяла частично компенсировать недостаток ручных пулемётов и пистолетов-пулемётов в начале войны, но это была временная мера, так как при создании винтовки Токарева к ней не предъявлялись требования по обеспечению интенсивного автоматического огня.

Изменение режима огня привело к понижению живучести деталей винтовки и увеличению количества задержек, в том числе таких серьёзных, как поперечный разрыв и неизвлечение стреляной гильзы, недозакрытие затвора и осечки. Причиной таких задержек являлась недостаточная жёсткость ствола и ствольной коробки и непригодность конструкции ударно-спускового механизма для автоматической стрельбы. По кучности боя автоматическая винтовка при стрельбе одиночным огнём уступала даже карабину образца 1938 года, а при стрельбе короткими очередями и непрерывным огнём — пистолетам-пулемётам Шпагина образца 1941 года и Судаева обр. 1943 г. Кроме того, она сохраняла все недостатки, присущие самозарядной винтовке. B донесениях с фронтов Великой Отечественной войны отмечалось, что «как самозарядные (СВТ-40), так и автоматические (АВТ-40) винтовки используются в боевых условиях недостаточно, что войска объясняют сложностью конструкции, недостаточной надёжностью и меткостью самозарядных и автоматических винтовок». Ввиду отмеченных недостатков производство самозарядных винтовок системы Токарева начиная с 1942 года резко сократилось. Если в 1941 году было выпущено 1 031 861 винтовок, то в 1942 году только 264 148.

Работая над усовершенствованием своей системы, Токарев улучшил отдельные детали винтовки, однако избавиться от основных недостатков системы ему так и не удалось. 3 января 1945 года последовало постановление Государственного Комитета Обороны СССР о снятии с производства СВТ-40 и АВТ-40 (всего на 2 недели раньше, чем аналогичное постановление по винтовкам обр. 1891/30 гг.). Однако приказа о снятии с вооружения СВТ-40 до сих пор нет.

Также Токарев вёл работы по созданию самозарядных карабинов. В январе 1940 года на полигонных испытаниях были представлены самозарядный карабин, спроектированный Токаревым на основе СВТ-38, и карабин конструкции Симонова. Оба образца были признаны недоработанными. В сентябре 1940 года Токарев на базе СВТ-40 разработал карабин с переводчиком для автоматической стрельбы (АКТ-40). В октябре 1940 года прошли повторные испытания карабинов Токарева и Симонова, оружие снова не выдержало предъявленных требований. Об эффективности автоматического огня из АКТ-40 может говорить тот факт, что в полигонных условиях рассеивание попаданий на дальности в 100 метров при стрельбе с упора составляло при одиночном огне порядка 9 см, а при автоматическом огне — от 70 (короткими очередями) до 100 см (длинными очередями) для серий по 20 выстрелов.

Автоматические карабины Токарева на вооружение Красной Армии официально не принимались, однако до начала Великой Отечественной войны в течение 1940—1941 годов Тульским оружейным заводом № 314 было выпущено несколько сотен карабинов Токарева модели 1940 года. Эти карабины выпускались в самозарядном, автоматическом и снайперском вариантах (снайперские могли быть и самозарядными, и автоматическими). Карабины могли отличаться количеством отверстий в верхнем кожухе — 4 или 5, а в ствольной накладке могло быть 1 или 2 отверстия. Автоматические варианты имели вырез на правой стороне ложи для головки предохранителя переводчика (как у АВТ-40). В 1941 году была выпущена небольшая партия автоматических и самозарядных снайперских карабинов в подарочном исполнении. Известно, что в феврале 1941 года один был вручён первому секретарю Тульского Обкома ВКП(б) В. Г. Жаворонкову, другой — Маршалу СССР К. Е. Ворошилову.

После эвакуации завода № 314 в ноябре 1941 года в город Медногорск самозарядные и автоматические карабины продолжались выпускаться небольшими партиями как минимум до 1943 года включительно. Карабины Токарева в некотором количестве присутствовали в войсках, самозарядный карабин был принят на вооружение Вермахта под индексом SiGewehr 259/2(r). Также во время войны из вышедших из строя винтовок СВТ-40 и АВТ-40 изготавливались суррогатные карабины.

Винтовки Токарева не имели большого успеха прежде всего из-за сложности, что создавало трудности как в производстве, так и при эксплуатации в полевых условиях. По трудоёмкости 6 винтовок Токарева примерно равнялись 10 винтовкам Мосина, что решило вопрос в пользу последней. Также военное руководство считало более простым средством повышения огневой мощи пехоты пистолеты-пулемёты с автоматикой на свободном затворе — примитивной и потому не требующей больших усилий по уходу. Винтовка Токарева требовала надлежащего обращения, что в условиях массового призыва было невозможным, кроме того она не была лишена конструктивных недостатков, которые так и не были устранены до снятия её с производства. Однако в руках снайперов и морских пехотинцев винтовка показывала хорошие боевые качества. СВТ-40 была несколько легче, чем M1 Garand, но заметно уступала последней по надежности, а немецкая самозарядная винтовка G43(W) имела аналогичную СВТ систему отвода пороховых газов.

После начала «холодной войны» импорт оружия, боеприпасов и иной продукции военного назначения из СССР в США был законодательно запрещён, поэтому первые СВТ-38/40 были ввезены в США лишь в сентябре 1960 года из Финляндии фирмой Globe Firearms Co. После того, как эти винтовки поступили в продажу на внутренний рынок США, было установлено, что дульный тормоз-компенсатор системы Джонсона (выпускавшийся американской фирмой Johnson Automatics, Inc. и с 1946 года предлагавшийся для установки на спортивные винтовки) являлся копией дульного тормоза-компенсатора СВТ-38/40.