Фамилия Колмогорцева — один из тех случаев, когда в основе лежит не личное имя или прозвище, а географическое название. Корень здесь — старинное село Холмогоры в Архангельской области, которое в древности писалось и произносилось как Колмогоры. Человека, который жил в этих местах или был оттуда родом, в русских говорах называли колмогорцем. От этого прозвища и образовалась фамилия — сначала Колмогорец, а затем, с помощью типичного русского суффикса принадлежности -ев, появилась форма Колмогорцев (женский вариант — Колмогорцева). Суффикс -ев указывает на то, что родоначальник был «сыном колмогорца», то есть потомком выходца из этих мест.

Этимология самого названия Холмогоры уходит в финские языки. Исследователи связывают его с двумя словами: kalma («смерть», «могила») и kari («утес», «скала»). То есть дословно «утес смерти» — суровая и точная характеристика для северных земель. Со временем финское kalma под влиянием народной этимологии сблизилось с русским «холм», а «кари» — с «горы», так и получились «Холмогоры». В документах XVII века встречается прямое подтверждение такому именованию: записан «Ивашко Калинин сын Колмагорец родом колмагорец». Это показывает, что прозвище было живым и употреблялось именно для обозначения места рождения.

Холмогоры — место с богатой историей. Первая деревянная крепость новгородцев появилась там в конце XIV — начале XV века. В 1613 году построили четырёхугольный деревянный кремль с пятью башнями, который выдержал осаду польско-литовского войска. В 1492 году из Холмогор в Данию отправился караван с зерном — одна из первых попыток наладить морскую торговлю с Европой. Но шире всего эти места известны другим: холмогорская резьба по кости — старинный русский народный промысел, признанный во всём мире. Так что предки Колмогорцевых могли быть не просто крестьянами или посадскими, но и мастерами-косторезами.

Фамилия распространена в основном на Русском Севере и в регионах, куда переселялись поморы. Встречаются варианты написания с «а» — Колмагорцев, но форма Колмогорцев (и Колмогорцева) закрепилась как литературная.