Фамилия Голобрюхов образована от прозвища Голобрюхий, которое складывается из двух основ: «голый» (то есть «ничем не покрытый») и «брюхо» («живот»). В словаре В. И. Даля голобрюхими называли зверей или птиц, у которых нижняя сторона тела не покрыта шерстью или перьями. Возможно, что в старину так именовали какой‑то отдельный вид животных, а прозвище давали по аналогии с ним. На Руси вообще были распространены имена, образованные от названий зверей и птиц, так что эта версия имеет право на существование.

Однако более правдоподобным выглядит другое объяснение: прозвище Голобрюхий указывало на социальный статус или привычку человека. Чаще всего его могли дать небогатому человеку — тому, кто не мог позволить себе полноценную одежду и ходил с голым животом. Но не исключено, что так прозвали того, кто в тёплое время года любил расхаживать с голым торсом. В любом случае прозвище закрепилось за человеком как наиболее употребительное именование, а со временем перешло в фамилию.

Суффикс -ов в фамилии Голобрюхов — стандартный для русских фамилий патронимический формант, указывающий на принадлежность: «сын Голобрюхого». Эта модель характерна для центральных и северных регионов России, где фамилии на -ов встречаются чаще всего. Географически фамилия редкая, её носители встречаются в основном в Поволжье и на Урале, что косвенно подтверждает бытовое, а не книжное происхождение прозвища.

Интересно, что в русских говорах слово «голобрюхий» могло иметь и переносное значение — «бедный, неимущий». Это усиливает версию о социальном подтексте прозвища. В отличие от многих «животных» фамилий, Голобрюхов не отсылает к внешнему сходству с конкретным зверем, а скорее рисует портрет человека через его образ жизни или достаток.