Фамилия Байтымов — тюркская по происхождению, и её разумнее всего разбирать, отталкиваясь от основы «Байтым». В казахском, башкирском, татарском и других тюркских языках «бай» — это богатый, состоятельный, уважаемый человек, господин. Вторая часть, «тым», может быть вариантом аффикса принадлежности («мой») или же частью личного имени. Самая вероятная версия: Байтым — это древнетюркское составное имя, где «Бай» (богатство, хозяин) соединяется с «тым» — возможно, искажённым «тимер» (железо) или «туым» (род, племя). То есть имя могло означать «богатый как железо» или «богатый родом». Фамилия образована по русской модели притяжательного суффикса -ов, что буквально значит «сын (или потомок) Байтыма».

Суффикс -ов указывает на то, что фамилия оформлялась уже в русской административной среде, скорее всего, в XIX — начале XX века, когда у тюркских народов Российской империи массово фиксировали фамилии по отчеству. Это типичная модель для многих современных тюркских фамилий: Уразов, Темиров, Баймуратов. В отличие от чисто русских фамилий на -ов, где основа — чаще прозвище или профессия, здесь основа — личное мужское имя, что роднит Байтымовых с патронимическими фамилиями.

Географически фамилия тяготеет к регионам с преобладанием тюркского населения: Башкортостан, Татарстан, Оренбургская, Челябинская области, а также северный Казахстан. Встречается она нечасто, что говорит о локальном происхождении от одного рода или селения. Вполне возможно, что предки Байтымовых были скотоводами или мелкими землевладельцами — слово «бай» в тюркской среде часто указывало на зажиточность, но необязательно на аристократию. Скорее, это был уважаемый член общины, чьё имя закрепилось за потомками.

Спорных версий у фамилии немного. Иногда её пытаются связать с арабским корнем «байт» (дом, жилище), но это маловероятно: арабское слово «байт» в тюркские фамилии входило редко, а суффикс -ым (-ым) в этом случае необъясним. Также не стоит путать Байтымовых с фамилией Байтимиров — там корень «Тимер» (железо) читается яснее. Байтымов же — более краткая, «стянутая» форма, где второй компонент имени со временем редуцировался.