Игре на фаготе обучался в Андижанском училище искусств (Узбекистан), с 1996 года — в Ташкентской консерватории. В 1998 году поступил в Санкт-Петербургскую консерваторию (класс профессора Кирилла Соколова), по окончании которой совершенствовал мастерство в Ганноверской высшей школе музыки (Германия) у профессоров Дага Йенсена и Уле Кристиана Даля, а в 2008–2011 годах — в ассистентуре-стажировке Петербургской консерватории.
Студентом консерватории прошёл по конкурсу в оркестр Мариинского театра на должность артиста группы фаготов, с 2004 года — солист группы. В составе оркестра участвует в международных фестивалях, зарубежных гастролях театра и записях на лейбле Mariinsky. С 2010 года — приглашённый участник Всемирного оркестра мира под управлением Валерия Гергиева.
Сольный репертуар Родиона Толмачёва охватывает три столетия — от концертов эпохи барокко до виртуозных сочинений XX века. Музыкант играет в камерных ансамблях, в том числе в духовом квинтете Мариинского театра, в составе которого гастролировал в Финляндии, Германии, Бельгии, в 2014 году провёл концертный тур по Великобритании и выступил в лондонском Барбикан-холле. В Концертном и камерных залах Мариинского театра выступления Родиона Толмачёва проходят в абонементных и фестивальных концертах и в проекте «Открытая среда».
Музыкант записал два сольных диска. Дебютный альбом, посвящённый французской фаготной музыке XX века (сочинения Камиля Сен-Санса, Эжена Бозза, Роже Бутри, Жана Франсе и др.), вышел в 2012 году на немецкой звукозаписывающей фирме Dobringen und Grimm. В 2016 фирма «Мелодия» выпустила второй альбом с записями концертов для фагота Антонио Вивальди, Карла Марии фон Вебера и Андре Жоливе в сопровождении оркестра Мариинского театра под управлением Ивана Столбова.
