Фамилия Болтвинов образована по самой распространённой в русской антропонимии модели — с помощью патронимического суффикса -ов, который указывает на принадлежность («чей?» — сын Болтвина). Основа фамилии — прозвище или неканоническое имя Болтва.

Корень «болт-» в русских говорах многозначен. Самое прямое объяснение — от слова «болтва» в значении «болтун, пустомеля» (ср. «болтать», «болтовня»). Прозвище могли дать человеку говорливому, любящему поговорить. Однако это не единственная версия. В северных и сибирских говорах «болтва» означала «мелкая рыбёшка» (обычно снетки или верховодка), а также «вздор, пустяки». В таком случае прозвище могло быть ироничным — так могли назвать невысокого, щуплого человека.

Менее очевидная, но возможная связь — с глаголом «болтать» в значении «взбалтывать, мешать». В этом ключе Болтвой могли прозвать мельника или работника, занятого перемешиванием чего-либо (например, в пивоварении или красильном деле).

Фамилия Болтвинов — довольно редкая. Она не встречается в боярских списках и не фиксируется среди старинных дворянских родов. Скорее всего, это крестьянская или мещанская фамилия, возникшая в центральной России или Поволжье. Интересна её морфология: суффикс -ин в основе (Болтв-ин) указывает на то, что исходное прозвище Болтва было мужским. Обычно фамилии на -ов образуются от основ на твёрдый согласный, но здесь мы видим редкий случай, когда основа на -а дала форму Болтвин, а затем уже к ней добавили «фамильный» суффикс -ов — Болтвинов. Это может говорить о том, что фамилия складывалась в два этапа: сначала отца звали Болтва, сына — Болтвин, а внук уже стал Болтвиновым.

В ономастических словарях фамилия специально не разбирается, но её строение полностью укладывается в типичные модели, описанные Б. Унбегауном. Однокоренные фамилии — Болтов, Болтунов, Болтаев — встречаются чаще и обычно связываются с тем же корнем «болт-». Болтвинов выделяется на их фоне именно редкой словообразовательной цепочкой и меньшей географической распространённостью.