※以下、『寛政重修諸家譜』の内容に基づいて記述する。
寛永14年（1637年）、下総古河藩主・土井利勝の五男として生まれる。幼名は虎之助（とらのすけ）。寛永18年（1641年）に将軍・徳川家光に拝謁し、将軍世子家綱の近侍に任じられた。寛永21年（1644年）に父が死去したため、その遺領から5000石を分与された。慶安3年（1650年）に西の丸奥小姓に任じられる。慶安4年（1651年）からは長兄・利隆の名代として本家古河藩の藩政を任された。
万治元年（1658年）に利隆が隠居して甥の利重が跡を継ぐと、5000石を分与されて合計1万石の大名となり、大輪藩を立藩した。延宝4年（1676年）に奏者番に任じられる。延宝5年（1677年）3月15日、中風により病死した。享年41。
すでに長男・次男は早世し、三男の一学も病弱だったため、利直は甥の利良（四兄・利房の次男）を養子に迎えて跡を継がせようとした。しかし幕府は一族に相談せずに養子縁組を決めた粗忽な処置として大輪藩は改易となった。1万石の所領は全て没収される予定だったが、先祖利勝の功績を考慮され、5000石への減知の上で利良の家督相続が認められた。以降、利直系統は旗本として存続する。