Фамилия Бухальцев образована от прозвища Бухалец, а оно, в свою очередь, восходит к древнему глаголу «бухати». В славянских говорах у этого слова было два основных значения: «издавать глухой, гулкий звук» и «бить, стрелять, колотить». Поэтому прозвище Бухалец могло указывать на разные вещи. Первая версия — род занятий. «Бухальцем» могли прозвать воина, стрелка или охотника, то есть того, кто «бухает» из ружья. Вторая версия — особенности поведения или речи. «Бухать» означало также «говорить грубо, напрямик, неожиданно», а в некоторых диалектах — «пить хмельное, пьянствовать». Отсюда Бухальцем называли человека либо с громким, резким голосом, либо, что не редкость для русских прозвищ, горького пьяницу.

В фамилии работает стандартная словообразовательная модель: к основе прозвища Бухалец добавляется патронимический суффикс -ев, который указывает на принадлежность — «сын Бухальца». Со временем прозвище закрепилось и перешло в фамилию, которую унаследовали потомки того самого человека.

Стоит заметить, что фамилия довольно редкая. Её ареал, скорее всего, связан с южнорусскими и украинскими говорами, где глагол «бухати» и его производные были особенно распространены. В письменных источниках фамилия фиксируется поздно, что типично для прозвищ, образованных от бытовой лексики, — такие фамилии часто возникали в крестьянской и мещанской среде не раньше XVII–XVIII веков. Однокоренные фамилии — Бухалов, Бухалин, Буханов — встречаются чаще, но все они происходят от одного смыслового гнезда.