Фамилия Колмыченко образована по распространённой в украинской и южнорусской ономастике модели с суффиксом -енко. Этот суффикс, изначально означавший «сын» или «потомок», указывает на патронимическое происхождение: предок носителя фамилии носил прозвище или имя Колмык. В буквальном смысле Колмыченко — «сын Колмыка».

Основа фамилии — прозвище Колмык, которое восходит к этнониму «калмык». В русских говорах и документах XVI–XVII веков форму «колмык» (с «о» вместо «а») фиксируют многие источники: так западные соседи передавали название этого народа, пришедшего из Центральной Азии. Самоназвание калмыков — «хальмг», а тюркское «калмак» (буквально «оставшиеся») связывают с историей откочевавшей части ойратов. Прозвище Колмык в старину давали не только по национальной принадлежности, но и за внешнее сходство: смуглую кожу, узкий разрез глаз, чёрные волосы. Встречалось оно и как мирское имя, которое на Руси нередко давали ребёнку для защиты от злых сил — считалось, что «чужое», нехристианское имя отведёт от младенца внимание нечистой силы.

Фамилия Колмыченко характерна для южных регионов — Украины, Кубани, Дона, а также для Воронежской и Курской областей. Именно в этих землях суффикс -енко был основным способом оформления фамилий у казачества и крестьянства в XVII–XVIII веках. В отличие от северорусских фамилий на -ов/-ев, которые указывали на принадлежность главе семьи, южнорусские и украинские фамилии на -енко подчёркивали родство по прямой линии: Колмыченко — «внук или потомок Колмыка». Со временем прозвище Колмык, изначально присоединённое к наследственному имени, полностью заменило его как в повседневной жизни, так и в официальных документах, закрепившись в фамилии.

Стоит различать фамилию Колмыченко и более редкую Калмыченко: первая отражает старорусское произношение с «о», вторая — более позднее литературное написание через «а». Оба варианта имеют общий корень, но различное географическое распространение. Сословная принадлежность носителей фамилии была разной: среди Колмыченко встречались и казаки, и государственные крестьяне, и мещане. Никакой исключительной знатности или придворного происхождения эта фамилия не подразумевает — она из числа тех, что возникли в народной среде и сохранили память о прозвище предка.