Фамилия Гортоломей — редкий случай, когда народное произношение почти полностью вытеснило исходную книжную форму. Перед нами не что иное, как один из вариантов христианского имени Варфоломей, которое попало в русский язык через греческое посредство. Варфоломей — имя арамейское, означающее «сын вспаханной земли», «сын борозды», и в православной традиции ассоциируется с апостолом Варфоломеем (Нафанаилом). Однако в просторечии это длинное имя неизбежно упрощалось. Форма «Гортоломей» — результат нескольких фонетических сдвигов: начальное «Вар» перешло в «Гор» (под влиянием южнорусского «г» фрикативного или просто как замена непривычного звука), а затем добавилась типичная для народной этимологии перестановка и озвончение согласных. Такая обработка имени — не ошибка, а живой процесс адаптации церковнославянского слова в крестьянской среде.

Словообразовательная модель здесь архаичная: фамилия образована от полной формы имени (Гортоломей) без добавления суффикса. Это так называемые «полуотчества» или «прямые фамилии» — древнейший пласт русских фамилий, характерный для XV–XVII веков. Человек, носивший такое прозвище, мог быть просто сыном Гортоломея, но со временем прозвище закрепилось за всей семьёй. Подобные бессуффиксные фамилии встречаются в основном на юге России, в Белоруссии и на Украине, где редукция окончаний и упрощение имён были особенно сильны. Сравните с однокоренными: Варфоломеев, Варфоломеичев, Фоломеев — все они восходят к тому же источнику, но Гортоломей стоит особняком, сохранив самую «обкатанную» устную форму.

Географически фамилия крайне редкая. В дореволюционных метрических книгах и ревизских сказках она почти не фиксируется, что говорит о её локальном бытовании, скорее всего, в среде однодворцев или государственных крестьян южных губерний — там, где имя Варфоломей в народе звучало как Гортул, Гортолом, Фоломей. Поскольку фамилия не получила широкого распространения, её носители, вероятно, происходят из одного небольшого рода, который не размножился в большое сословие. Сословная принадлежность предков, скорее всего, крестьянская: духовенство и дворянство обычно фиксировали фамилии в более строгой, книжной форме (Варфоломеев).

Важная деталь: написание через «о» во втором слоге (Гортоломей, а не Гартоломей) указывает на аканье в исходном диалекте — произносили «Гартоломей», но писали по-церковнославянски ориентированно, с «о». Это ещё одно подтверждение народного, а не книжного происхождения фамилии. В современных справочниках её часто путают с искажённым написанием фамилии Гортоломеев, но исходная форма без суффикса — более древняя и редкая.