Cụ Mai Trang Nguyễn Khoa Toàn là con trai thứ hai của ngài Thượng thư trí sự Nguyễn Khoa Đạm. Hồi thiếu thời, cụ theo học trường Quốc Học ở Huế. Năm 1915, tốt nghiệp Thành chung và bổ làm Trợ giáo.

Năm 1920, cụ lập gia đình (bà Lê thị Khuyên, trưởng nữ của ngài Lê chí Tuân, Tuần vũ Quảng Bình.) Sau đó, cụ ra Hà Nội theo học Đại học Sư phạm. Năm 1923, tốt nghiệp Sư Phạm và nhậm chức Đốc học tỉnh Quảng Nam.

Năm 1933, thuyên chuyển về nhậm chức Tá lý bộ Giáo Dục. Thời này, cụ cùng các đạo hữu sáng lập Hội Phật học Trung Việt. Cụ chủ trương chống nạn mù chữ trong đại chúng và sáng lập Hội Truyền bá Quốc ngữ, sáng tạo và áp dụng một phương pháp đặc biệt dạy chữ Việt rất dễ hấp thụ.

Năm 1936, chuyển qua bộ Lại (tương đương với bộ Nội vụ.) Thời gian này cụ được phái du hành qua Pháp vã nhiều lần lên diễn đàn nói về văn hóa Việt và được các cử tọa chọn lọc ở Paris hoan nghênh. Sau đó, cụ nhậm chức Thị lang Bộ Quốc gia Giáo Dục.

Năm 1945, cải bổ Bố chánh tỉnh Khánh Hòa.

Năm 1947, đảm nhậm chức Tỉnh trưởng Thừa Thiên kiêm Đốc lý thành phố Huế.

Năm 1948, gia nhập phái đoàn quốc gia Việt Nam họp tại Hongkong và Vịnh Hạ Long, để đàm phán đòi Pháp quốc công nhận Việt Nam độc lập và thống nhất.

Tháng 6 năm 1948, cụ đươc bổ nhiệm Tổng trưởng Quốc gia Giáo dục và Thanh niên trong chính phủ trung ương đầu tiên sau Đệ nhị Thế chiến của quốc gia Việt Nam thống nhất.

Năm 1950, cụ nhậm chức Đại sứ đầu tiên của Việt Nam tại Bangkok (Thái lan.) Cụ làm Đại sứ được 5 năm. Bang giao giữa hai nước được thắt chặt, đồng bào di cư sinh sống ở Thái trở nên đoàn kết và được Tòa Đại sứ khuyến khích và trợ cấp hồi hương.

Tháng 5 năm 1955, cụ mãn nhiệm kỳ, sau 37 năm công vụ. Cụ được cấp thưởng Bảo quốc Huân chương, thăng Nhị phẩm, cấp hàm Thượng thư trí sự.

Cụ có thiên tài hội họa và điêu khắc, triển lãm tranh vẽ và nổi danh trong và ngoài nước. Cụ tạc tượng Phật Thích Ca lớn, được đúc đồng và trang thờ ở chánh điện Chùa Từ Đàm, Huế.

Nguyễn Khoa Bính (đời 11) ghi