Фамилия Борменталь — редкий для России случай, когда немецкая фамилия стала широко известна благодаря одному литературному персонажу. В отличие от большинства русских фамилий, образованных от прозвищ или имен, эта — готовая топонимическая или профессиональная фамилия, принесенная в Россию выходцами из немецких земель. Её основа — немецкое «Bohr» (сверло, бур) или диалектное «Borm» (грязь, топь) и «Tal» (долина). То есть Борменталь — это либо «сверлильная долина» (место, где добывали камень или руду), либо «грязная долина» (низинное болотистое место). Второй вариант встречается чаще: в Германии есть несколько топонимов Bormtal, а также фамилия Bormann, связанная с тем же корнем.

Фамилия не славянская, поэтому у неё нет типичных русских суффиксов -ов, -ин или -ский. Она сохранила оригинальное немецкое окончание -аль, которое при закреплении в русском языке стало восприниматься как мужская фамилия, склоняемая по второму склонению (Борменталя, Борменталю). В дореволюционной России такие фамилии носили в основном обрусевшие немцы — врачи, аптекари, инженеры, военные. Именно эту среду и обыграл Михаил Булгаков в «Собачьем сердце», сделав доктора Борменталя типичным представителем петербургской немецкой интеллигенции начала XX века.

Поскольку фамилия не массовая, её география в России узкая: большинство носителей — потомки тех самых немецких специалистов, которые в XVIII–XIX веках оседали в Петербурге, Москве, Поволжье и на юге империи. После 1917 года многие эмигрировали, а оставшиеся были рассеяны по стране. Встретить Борменталя сейчас можно скорее в крупных городах, чем в сёлах. В современной Германии фамилия тоже редка, но встречается в землях Нижняя Саксония и Северный Рейн-Вестфалия.

Споров о происхождении почти нет: версия «грязная долина» (от Borm) считается основной, потому что топонимы с таким корнем фиксируются в средневековых документах чаще, чем «сверлильная долина». Единственная альтернатива — связь с личным именем Борн (от Borno, древневерхненемецкое «медведь»), но тогда фамилия звучала бы как Bornental, а не Bormental. Так что скорее всего, предки первого Борменталя жили в низине у болота или ручья.