Фамилия Холодий — редкий случай, когда прозвище, лёгшее в основу, почти не изменилось за века. В ней нет типичных русских суффиксов -ов или -ин, что выдаёт её украинское или белорусское происхождение. Модель образования проста: основа «холод» плюс суффикс -ий, который в восточнославянских языках часто превращал прозвище в фамилию без дополнительных наращений (сравните: Толстый, Гнилой, Сухой). То есть Холодий — это тот, кого прозвали Холодом.

Значение прозвища, скорее всего, не связано напрямую с низкой температурой. В старину «холодом» могли назвать человека сдержанного, неприветливого, «холодного» в общении. Но есть и другая, более бытовая версия: в южнорусских и украинских говорах «холод» иногда означало погреб или ледник. Тогда Холодий — человек, который либо строил такие погреба, либо жил рядом с ними, либо торговал льдом. Эта версия правдоподобнее, потому что личные качества реже становились основой для прозвищ, чем занятия или место жительства.

Географически фамилия Холодий тяготеет к западным областям Украины, особенно к Волыни и Подолью. Встречается также в Беларуси и в южных регионах России, куда переселялись украинцы в XVIII–XIX веках. В польских метриках XVIII века можно найти запись Chłodij — с носовым звуком, что указывает на старую польскую огласовку корня. Это значит, что фамилия могла сформироваться ещё в те времена, когда на этих землях действовали польские административные и церковные нормы.

Отдельного внимания заслуживает ударение. В фамилии Холодий оно падает на последний слог — Холоди́й, что типично для украинских фамилий на -ий. Если бы ударение было на первый слог, это указывало бы на русскую адаптацию, но таких вариантов почти не зафиксировано. Таким образом, фамилия сохранила исходную акцентологическую модель, не поддавшись обрусевшему произношению.

Среди однокоренных фамилий — Холодов, Холодный, Холодков. Но Холодий стоит особняком: он не получил суффикса принадлежности, а остался в виде чистого прозвища. В русских переписных книгах XVII века таких «голых» фамилий почти не было — их не признавали официальными, пока не добавляли окончание -ов. Значит, носители фамилии Холодий либо долго жили в среде, где украинская модель фамилеобразования была нормой, либо получили фамилию поздно, когда требования к оформлению уже смягчились.