Фамилия Холомей — одна из тех, где сразу бросается в глаза необычное окончание. В русской ономастике она стоит особняком: типичные фамильные суффиксы здесь отсутствуют. Нет ни -ов, ни -ин, ни -ский. Перед нами чистая основа, которая могла закрепиться в качестве фамилии без дополнительного оформления. Такое часто встречается у украинских, белорусских и польских фамилий, а также у фамилий, образованных от прозвищ, которые в быту уже звучали как самоидентификация. Скорее всего, Холомей — это и есть прозвище, ставшее фамилией.

Корень слова ведет к украинскому или белорусскому «холома» — так называют необработанный лен или паклю. В этом значении прозвище могло относиться к человеку, который занимался обработкой льна: трепал, чесал, прял. В крестьянском быту лен был важнейшим сырьём, и прозвище по роду занятий — дело обычное. Менее вероятная, но возможная версия — связь с диалектным «холомей» в значении «бедняк, оборванец», то есть человек, одетый в лохмотья, похожие на паклю.

Есть и другая гипотеза, более редкая: фамилия могла возникнуть от личного имени Холомей — варианта канонического имени Филимон. В народной речи имя Филимон нередко искажалось до Холомон, Холомей. Такой переход звуков (фита → х) типичен для южнорусских и украинских говоров. Если это так, то фамилия Холомей — отчество в чистом виде, без суффикса, что характерно для украинской традиции (сравните: Гриць, Петро, Холомей).

Географически фамилия Холомей встречается в основном на западе Украины, в частности в Ивано-Франковской и Львовской областях, а также в приграничных районах Беларуси. В России она редка и чаще всего фиксируется у потомков переселенцев с этих территорий. Таким образом, носитель фамилии Холомей почти наверняка имеет корни в западноукраинском или белорусском крестьянстве, а его предок либо обрабатывал лен, либо носил народную форму имени Филимон.