Dopo l'8 settembre 1943 raggiunse le formazioni partigiane della V Divisione alpina "Giustizia e Libertà", che operava tra le valli Pellice, Germanasca e Angrogna e nel Pinerolese. Diventato presto comandante di distaccamento, guidò - come ricorda la motivazione della decorazione al valore - numerose, audaci azioni contro i nazifascisti.
Nella motivazione si sottolinea anche che Toja. "… semplice gregario prima e comandante poi, fu tra gli uomini di punta nel combattimento e nel sacrificio. Apostolo di fede fra i compagni, assurse a simbolo della guerra partigiana. Con un gesto di estrema audacia arrestava da solo, con falsa segnalazione, un treno sul quale erano portati al carcere quattro dei suoi uomini caduti in mano al nemico. Nella lotta cadeva mortalmente ferito, ridando ai compagni, col suo supremo olocausto, la libertà".
Dopo la morte di Sergio Toja, la V Divisione GL prese il suo nome. Nel dopoguerra, a Torre Pellice gli è stata intitolata una strada.