Фамилия Колмыков образована от прозвища Колмык, которое напрямую связано с этнонимом «калмык». Название «калмак» (или «калмык») пришло из тюркских языков и переводится как «оставшиеся» или «отделившиеся» — так тюркские народы называли западную ветвь монголов, ушедшую в низовья Волги. Прозвище Колмык на Руси могли дать человеку, внешне или по поведению напоминавшему калмыка: смуглому, черноволосому, либо тому, кто носил одежду или стрижку «под калмыка». Иногда прозвище закреплялось за бывшим пленником или торговцем, имевшим дело с калмыцкими степями.

Фамилия построена по стандартной русской патронимической модели: суффикс -ов указывает на принадлежность («чей?» — «сын Колмыка»). Поэтому Колмыков — это потомок человека, которого в народе звали Колмык. В говорах и старых документах встречается и вариант написания через «а» — Калмыков, но форма с «о» в корне (Колмыков) тоже фиксируется в переписях, особенно в южнорусских и поволжских регионах, где контакты с калмыками были исторически плотными.

С точки зрения ономастики, фамилия Колмыков относится к группе «этнических» прозвищных фамилий, таких как Татаринов, Немцов, Мордвинов. Однако, в отличие от них, прозвище Колмык могло не указывать на реальное происхождение, а быть чисто бытовой характеристикой. В словаре Б. Унбегауна «Русские фамилии» подобные случаи разбираются как примеры, где этноним становится прозвищем без прямой связи с национальностью носителя. Сословно фамилия Колмыков не закреплена за каким-то одним слоем: её могли носить и крестьяне, и казаки, и мещане — всё зависело от того, где именно жил первый Колмык.