Фамилия Горлышева — женская форма фамилии Горлышев. В её основе лежит прозвище или нецерковное имя Горлыш. Слово «горлыш» в русских говорах имело несколько значений. В первую очередь это уменьшительное от «горло» — так могли назвать крикливого, горластого человека, любителя громко спорить или петь. В некоторых диалектах «горлыш» означало узкий проход, перешеек, а также часть печной трубы, так что прозвище могло относиться к человеку, жившему в тесном месте или занимавшемуся печным делом. Встречается и переносное значение — «горлыш» как упрямец, человек, который «прёт» напролом.

Фамилия образована по продуктивной русской модели с суффиксом -ев. Если бы в основе лежало слово на твёрдый согласный, мы бы получили Горлышов, но «горлыш» заканчивается на шипящий, поэтому действует правило: под ударением — -ов (как в «ершов»), без ударения — -ев. В фамилии Горлышев ударение падает на первый слог, отсюда написание через Е.

Географически фамилия Горлышев встречается нечасто, но имеет устойчивые очаги в Поволжье и на Урале. В документах XVII–XVIII веков, например, фиксируются крестьяне и посадские люди с подобными прозвищными фамилиями в Пермской и Вятской губерниях. Это говорит о том, что предки носителей фамилии были, скорее всего, из среды черносошных крестьян или ремесленников, а не дворянства — фамилии от бытовых прозвищ редко встречались в высших сословиях.

Если сравнивать с однокоренными фамилиями, то Горлышев стоит в одном ряду с Горловым, Горланкиным и Горлачёвым. Все они восходят к той же семантике «горластости», но Горлышев — более редкий и, возможно, более древний вариант, так как суффикс -ыш часто использовался для образования именно прозвищ, а не просто прилагательных. В современных справочниках (например, у Б. Унбегауна в «Русских фамилиях») эта модель описывается как типичная для прозвищ, характеризующих поведение человека.