Фамилия Гартфель не вписывается в привычные модели русских фамилий на -ов, -ин или -ский. Она явно немецкого происхождения, и её носители в России — потомки выходцев из немецких земель, переселившихся в империю в XVIII–XIX веках.

По составу фамилия двухкорневая. Первая часть — «Гарт» (Hart) — в переводе с немецкого означает «твёрдый», «крепкий», «жёсткий». Вторая часть — «фельд» (Feld) — «поле». Вместе Hartfeld даёт значение «твёрдое поле» или «крепкое поле». Скорее всего, это не прозвище человека, а топонимическая фамилия, образованная от названия местности. В Германии и Австрии есть несколько населённых пунктов с названием Хартфельд (Hartfeld). Человек, переехавший оттуда, получал фамилию по месту прежнего жительства — так работала немецкая ономастическая традиция.

В русском языке фамилия закрепилась в написании Гартфель, хотя исходное немецкое написание — Hartfeld. Звук «х» на письме исчез, а «д» на конце оглушилось до «т» по законам русского произношения. Встречается и вариант Гартфельд, но он менее распространён.

Носители фамилии в России — в основном потомки немецких колонистов, которых Екатерина II и Александр I приглашали осваивать Поволжье, Новороссию и западные губернии. Среди них были ремесленники, земледельцы, а позже — специалисты и офицеры. Фамилия не была массовой, встречается редко, что типично для немецких фамилий, не адаптированных русскими суффиксами. В советское время часть носителей могла русифицировать фамилию до Гартов или Гартфельдов, но исходная форма сохранилась у многих.