Фамилия Харламычев образована от имени Харламыч — народной формы крестильного имени Харлампий. Это имя греческого происхождения, означающее «сияющий радостью». В святцах известен святой Харлампий, почитаемый как в православной, так и в католической традиции. В русском быту сложные для произношения церковные формы часто укорачивали: так Харлампий превращался в Харлама, а от него возникало отчество Харламыч.

Суффикс -ев указывает на принадлежность: Харламычев буквально значит «сын Харламыча». В русской антропонимии фамилии на -ев обычно образовывались от основ, оканчивающихся на мягкий согласный или «й». Здесь основа — Харламыч, где «ч» даёт мягкое окончание, отсюда не -ов, а -ев. Эта модель типична для северных и центральных губерний, где отчества на -ич активно переходили в фамилии.

Географически фамилия встречается преимущественно в Поволжье и на Урале. По данным переписей XIX века, Харламычевы чаще всего числились крестьянами и мещанами в Вятской и Пермской губерниях. Редкость фамилии объясняется тем, что имя Харлампий никогда не было массовым: его давали в основном в старообрядческих семьях и в среде духовенства.

Спорных версий происхождения у фамилии нет: корень прозрачен, словообразовательная модель стандартна. Единственное, что может сбить с толку — написание через «ы» после «л»: Харламычев, а не Харламичев. Это следствие твёрдого произношения имени в народной речи, где «а» под ударением и последующий «ы» вместо «и» — черта северорусского говора.

Сравнение с однокоренными фамилиями — Харламов, Харлампиев, Харлашкин — показывает, что Харламычев стоит особняком: он единственный сохраняет полную отческую форму с суффиксом -ич в основе. Это делает фамилию более архаичной и указывает на то, что её носители, скорее всего, происходят из мест, где отчества на -ич дольше держались в бытовом обиходе, не вытесняясь фамилиями на -ов.