Фамилия Горлышков происходит от прозвища Горлышко. Слово «горло» В. Даль определял как «передняя часть шеи у человека и животного от подбородка до груди или ключиц». Скорее всего, прозвище дали человеку с тонкой, длинной шеей — такое сравнение напрашивается само. Но есть и вторая версия: Горлышком могли назвать обладателя громкого, зычного голоса, то есть «горлатого». Оба варианта правдоподобны, и оба могли существовать одновременно в разных говорах.

Не исключено, что Горлышко было дохристианским личным именем. На Руси такие имена от названий частей тела — Ручка, Нос, Глазок — встречались нередко. В «Ономастиконе» С. Веселовского есть похожие примеры: князь Третьяк Иванович Горло Вяземский и Андрей Горлов, великокняжеский охотник (1533 год). Эти записи подтверждают, что прозвища с корнем «горл-» бытовали в среде служилых людей и охотников.

Фамилия образована по классической русской модели: к основе Горлышк- добавили суффикс -ов, указывающий на принадлежность («чей?» — сын Горлышка). Ударение, судя по произношению, падает на первый слог: Го́рлышков. Это отличает фамилию от однокоренных, но более редких вариантов (например, Горлов, Горланов), где ударение может смещаться.

География фамилии неширокая — она встречается в центральных и северных областях России, но не относится к массовым. Сословно предки Горлышковых могли быть крестьянами или посадскими людьми, но точных данных о дворянских корнях нет. Фамилия не попала в списки титулованных родов, что косвенно говорит о её простонародном происхождении.