Фамилия Колмогорцев напрямую указывает на конкретное место — село Холмогоры в Архангельской области. В старину это название писалось иначе: «Колмогоры», что и сохранилось в основе фамилии. Предок носителя этой фамилии скорее всего был выходцем оттуда, и его прозвали Колмогорец — «житель Колмогор». Само село известно с XIV века как крупный центр торговли и культуры на Севере, родина Михаила Ломоносова.

Модель образования фамилии — прозвище плюс типичный русский суффикс принадлежности -ев. Сначала человека звали просто Колмогорец (как в исторической записи: «Ивашко Калинин сын Колмагорец родом колмагорец»). Затем, когда понадобилось назвать его детей или потомков, к прозвищу добавили суффикс -ев, получив форму «Колмогорцев» — «сын Колмогорца». Суффикс -ев, а не -ов, объясняется тем, что основа прозвища заканчивалась на мягкий или шипящий звук (в данном случае на «ц»).

В отличие от фамилий, образованных от имени или профессии, Колмогорцев — «географическая» фамилия. Она относится к группе так называемых «топонимических» фамилий, которые давали переселенцам, чтобы отличать их от местных жителей. Если человек переезжал из Холмогор в другой город или уезд, за ним закреплялось прозвище по месту прежнего жительства. Фамилия Колмогорцев довольно редкая и локальная, её основное распространение — северные и северо-западные области России, а также регионы, куда мигрировали поморы. Встречается также вариант написания с буквой «а» в корне — Колмагорцев, что отражает особенности северного произношения (оканье).