Фамилия Бухальцевы (в форме мужского рода — Бухальцев) образована от личного прозвища Бухалец. В основе лежит глагол «бухати» — в древнерусском языке он означал «издавать глухой, отрывистый звук», «бить», «стрелять» или «падать с шумом». Отсюда и раздвоение смысла: прозвище могли дать либо человеку с громкой, тяжёлой походкой или низким голосом, либо тому, кто часто пил — «бухать» в значении «пить хмельное» закрепилось в народной речи не позднее XVII века.

Суффикс -ец в основе Бухалец типичен для прозвищ, которые описывали характерный признак или поведение человека (ср. Кривец, Гуляец, Шумец). Модель с конечным -цев (Бухальцев) указывает на притяжательное значение: «чей?» — Бухальцев, то есть сын или потомок Бухальца. Фамилии на -цев встречаются реже, чем на -ов или -ин, и часто сохраняют более архаичную огласовку.

Географически фамилия Бухальцев встречается в основном в центральных областях России и на Урале — там, где диалектный глагол «бухать» был особенно употребителен. Встречаются варианты написания через «о» (Бохальцев) — это следствие акающего произношения, когда безударная «у» звучала как редуцированный звук, близкий к «о». Путаница могла возникнуть и при записи фамилии в церковных книгах, где писарь фиксировал на слух.

В сословном отношении носители фамилии чаще всего были крестьянами или посадскими людьми. Дворянских родов Бухальцевых в официальных родословных книгах не зафиксировано, что подтверждает народное, бытовое происхождение прозвища.

Иногда фамилию ошибочно связывают с тюркским корнем «бухал» (туман, пар), но это маловероятно: модель с суффиксом -ец и последующим -цев — чисто славянская, а в южнорусских говорах «бухало» означало ещё и филина (птицу, издающую глухие крики), так что прозвище могло относиться и к человеку с совиной внешностью или ночным образом жизни.

О точном времени возникновения фамилии говорить сложно — процесс её закрепления шёл с XV по XVII век, и письменные источники фиксируют Бухальцевых не ранее середины XVIII столетия. Тем не менее, за прозвищем Бухалец стоит живая разговорная стихия: оно одновременно и звукоподражательное, и бытовое, и ироничное — редкое сочетание для фамильного имени.