Née en Finlande, elle fut évacuée lors de la deuxième Guerre mondiale vers la Suède où elle vécut dans un village proche de la frontière norvégienne. Plus tard, elle épousa un Suédois, changea de nom, de Karvonen à Gustafsson, et prit la nationalité suédoise. C’est ensuite que démarra son odyssée olympique.
À l’école, elle était déjà douée pour le ski de fond, mais ses débuts internationaux ne datent que de 1960, à l’âge de 22 ans. Deux ans plus tard, Toini Gustafsson devenait championne de Suède et en 1964, elle décrochait avec le relais suédois la médaille d’argent aux Jeux Olympiques d’hiver d’Innsbruck. Mais de médailles individuelles, point.
Alors qu’elle continuait à parfaire son savoir-faire et sa technique, il devint clair, lorsque tout le monde se retrouva à Grenoble, que Toini serait la femme à battre. Elle considérait la Soviétique Galina Kulakova comme sa principale adversaire, et elle n’avait pas tort.
Dernière skieuse à s’élancer dans le 5 km, Toini Gustafsson fit en sorte de connaître absolument tout du déroulement de la course de Kulakova, s’informant régulièrement de la progression et de l’allure de sa rivale. Dans la dernière partie du parcours, Toini savait ainsi qu’elle était en retard et tout au long du dernier kilomètre, elle puisa dans ses ultimes réserves pour décrocher l’or avec à peine trois secondes d’avance.
Dans le 10 km, sa victoire fut plus probante, puisqu’elle devança de huit secondes la Norvégienne Berit Mødre Lammedal. Elle termina même ses Jeux avec une autre médaille d’argent dans le relais dont elle signa le parcours le plus rapide, pour porter son total à trois médailles. Elle prit ensuite sa retraite et, réputée comme étant l’une des sportives les plus athlétiques dans cette discipline parmi les plus exigeantes, elle devint professeur d’éducation physique.