Фамилия Антонычев образована от мужского крестильного имени Антоний (в просторечии — Антон). С греческого языка оно переводится как «вступающий в бой, состязающийся». Однако прямая основа фамилии не полное имя, а его уменьшительно-ласкательная форма — Антоныш. Именно так в быту могли называть Антона, особенно в северных и центральных говорах, где суффикс -ыш придавал имени оттенок ласки или принадлежности к младшему поколению.

Модель образования типична для русских фамилий: к основе Антоныш добавили патронимический суффикс -ев, указывающий на принадлежность («чей?» — Антонычев). Буквально фамилия означает «потомок Антоныша». Интересно, что суффикс -ыш в русской антропонимии встречается реже, чем, скажем, -к- или -ш-, поэтому Антонычев стоит в ряду фамилий с более редкой словообразовательной окраской (ср. Катышев, Малышев).

По сословному происхождению фамилия, скорее всего, крестьянская или мещанская: в среде духовенства и дворянства предпочитали книжные формы вроде Антонов или Антониевский. Антонычев же — живой след прозвищного или домашнего имени, которое закрепилось за родом в документах XVII–XIX веков, когда крестьян начали массово записывать по отчеству. Географически фамилия встречается преимущественно в центральных областях России и в Поволжье, что подтверждается современными данными о расселении носителей.

Если сравнивать с однокоренными фамилиями, Антонычев отличается от более частотных Антонов, Антошин или Антонцев именно суффиксальным звеном -ыш-. Это даёт повод предположить, что предок носителя фамилии выделялся в своей среде именно уменьшительной формой имени — возможно, был младшим в семье или его так звали за невысокий рост. В любом случае, фамилия сохранила ту интимную, домашнюю ноту, которая редко проникает в официальные родовые прозвания.