Фамилия Долимов — редкий случай, когда в основе лежит не имя и не профессия, а, скорее всего, географический объект или прозвище, связанное с местностью. Если отбросить типичный для русских фамилий суффикс -ов (указывающий на принадлежность: «чей?» — Долимов), остаётся корень «дол-». В старорусском языке «дол» означал «низина», «долина», «лог». Соответственно, Долимов — потомок человека, которого прозвали Долим за то, что он жил в низине, в распадке или в овраге.

Фамилия образована по продуктивной модели, но с необычной огласовкой. Обычно от слова «дол» образовывались фамилии Долов, Дольников или Долин. Вариант Долимов встречается реже, и в нём чувствуется влияние просторечного или диалектного произношения. В некоторых говорах слово «дол» могло звучать как «долим» (сравните: «по долинам и по взгорьям»), либо прозвище Долим закрепилось именно в такой форме — как указание на человека, который живёт «в долу», то есть внизу.

Версия о происхождении от тюркского или кавказского имени маловероятна. В этих языках есть корни с похожим звучанием, но суффикс -ов чётко указывает на славянскую, скорее всего русскую, модель словообразования. Если бы фамилия была нерусской по происхождению, она скорее сохранила бы окончание -и, -лы или -оглу.

Географически фамилия Долимов не привязана к одному региону, но чаще встречается в южнорусских областях — там, где распространены овраги и балки, которые в народе называли «долами». В центральных и северных губерниях слово «дол» постепенно вытеснялось словом «долина», поэтому и фамилии от него там фиксируются реже.

Таким образом, Долимов — фамилия-топографическая, она описывает ландшафт места, где жил первый носитель. Это не про род занятий, а про среду обитания: предок был человеком «из дола», из низины, что в условиях деревенского уклада было понятной и стойкой приметой.