Фамилия Долгохвостова образована от прозвища Долгохвост. В основе лежит сложение двух слов: «долгий» (в старом значении — «длинный») и «хвост». Это типичная модель для русских прозвищ, которые давали по внешнему признаку. Человека могли назвать Долгохвостом за длинную одежду с полами, которые волочились по земле, или за особую прическу — в старину косы и чубы носили и мужчины. В крестьянской среде такое прозвище могло закрепиться за тем, кто носил долгополый кафтан, не подпоясываясь, или за щеголем, отпустившим длинную косу.

Фамилия имеет «чистую» словообразовательную модель на -ов/-ев, самую распространенную в русском ономастиконе. Суффикс -ов указывает на принадлежность: Долгохвостов — сын Долгохвоста. Важно, что фамилия сохранила полную форму прозвища без редукции, что бывает редко: многие фамилии с похожей основой (например, Долгоносов) со временем упрощались, но здесь ударение на последнем слоге (Долгохво́стов) закрепило исходное звучание.

По географии бытования фамилия тяготеет к центральным и южным регионам России. Встречается в документах XVII века в числе служилых людей и крестьян. Например, в переписных книгах Курского уезда упоминаются Долгохвостовы — однодворцы, то есть потомки пограничной стражи, которые получали землю за службу. Это указывает, что предки носителей фамилии могли быть не просто крестьянами, а людьми «приборного» сословия: казаками, стрельцами или пушкарями.

В словаре Б. Унбегауна «Русские фамилии» модель «прилагательное + существительное» признается архаичной и характерной для допетровской эпохи. Такие прозвища часто давали с иронией или насмешкой, но с течением времени они утрачивали комический оттенок и становились нейтральными родовыми именами. Фамилия Долгохвостова — живой пример того, как внешняя черта, закрепленная в прозвище, превратилась в фамилию, не изменив своей формы за триста лет.