Фамилия Холомханов — редкая и неочевидная с точки зрения происхождения. Если смотреть на её звуковой облик, то первое, что бросается в глаза, — это отсутствие типичного для русских фамилий суффикса -ов/-ев, присоединённого к простому прозвищу. Здесь основа «Холомхан» уже содержит внутри себя тюркский компонент «хан» (владыка, правитель), а русский фамильный суффикс -ов лишь оформляет её по модели «чей?» — «Холомханов сын».

Самая вероятная версия образования — от составного тюркского имени Холомхан (или Калымхан). Первая часть «холом» (калым) в тюркских языках — это выкуп за невесту, брачный платёж. Имя Калымхан (Холымхан) могло даваться мальчику, родившемуся после долгих переговоров о калыме, либо в семье, где брак был устроен через выкуп. В таком случае фамилия Холомханов означает «потомок того, кого звали Холомхан». Поскольку «хан» в составе личного имени в Средней Азии и Поволжье часто не означало реального титула, а было уважительным компонентом (как «бек» или «мирза»), носитель такого имени не был ханом, а просто носил пожелательное или обстоятельственное имя.

Менее убедительная, но возможная версия связывает «холом» с диалектным русским словом «холом» — «глухой, захолустный» (ср. «холомок» — укромное место). Тогда Холомхан могло быть прозвищем человека из глухого места, но тюркское окончание «хан» в таком случае выглядит чужеродным, и эта гипотеза слаба.

Географически фамилия Холомханов, скорее всего, имеет корни в среде татар, башкир или народов Средней Азии, перешедших в русскую фамильную систему в XIX — начале XX века. Встречается она редко, что подтверждает её недавнее (в историческом смысле) оформление: многие тюркские фамилии с компонентом «хан» фиксировались именно в тот период, когда крестьяне и ремесленники получали официальные фамилии по отцу.

Словообразовательная модель здесь проста: тюркское имя Холомхан + русский патронимический суффикс -ов. Фамилия не могла возникнуть в великорусской среде из-за нехарактерного для славян корня, поэтому её носители — потомки тюркоязычных предков, чьё имя было записано на русский лад.