Фамилия Картопольцев образована от прозвища Картополя, которое, в свою очередь, восходит к диалектному названию картофеля — «картопля». В русских говорах, особенно южных и украинских, это слово было в ходу задолго до того, как «картошка» стала общелитературным вариантом. Прозвище Картополя могли дать крестьянину, который занимался разведением или продажей картофеля, либо человеку, который сильно любил это блюдо. Встречалась и ироническая мотивация: так могли прозвать невысокого, круглого человека в насмешку.

Модель образования фамилии — типичная для русского севера и востока: к основе на -а добавили суффикс -ев (Картопол-ев) и окончание -ц, указывающее на принадлежность роду. Получается Картопольцев — «сын Картополи». Суффикс -ц- в таких фамилиях (как у Кузнецов, Пономарёв) встречается реже, чем прямой -ов, и часто выдаёт более позднее закрепление прозвища в качестве фамильного имени. В данном случае он мог возникнуть из-за того, что прозвище звучало как Картополя, а окончание -ев требовало перехода в Картополев, но народная этимология или путаница с падежными формами дала вариант с твёрдым «ц».

Географически фамилия редкая, её ядро — южные регионы России, граничащие с Украиной (Белгородская, Воронежская области), а также Поволжье, куда переселенцы принесли диалектное слово. Встречается и написание Картопольцев через «а» (Картапольцев), что отражает акающее произношение. Связи с городом Каргополь у фамилии нет: это случайное созвучие, корни разные — «карго» (ворона) в названии города и «картофель» в основе прозвища.

В дореволюционных переписях носители фамилии числились в основном среди государственных крестьян, реже — среди мещан. Социальный подъём фамилии не прослеживается: это стопроцентно крестьянская фамилия, возникшая в среде, где картофель стал основой рациона, а прозвище — способом отличить одного огородника от другого.