Фамилия Литомирский — редкий пример фамилии, в которой географическая основа и суффикс -ский соединились, скорее всего, не напрямую. Вопреки ожиданию, её корень не «лит-» в значении «литовец», а имя или прозвище Литомир, которое и дало название населённому пункту, а уже от него — фамилию.

Словообразовательная цепочка выглядит так: славянское имя Литомир (от «лито» — год, время, и «мир» — покой, общество) → село, городок, владение Литомир (на территории современной Польши, Беларуси или Украины) → прилагательное «литомирский» → фамилия. Суффикс -ский в таких фамилиях почти всегда указывает на дворянское или шляхетское происхождение: это был способ указать на принадлежность к определённой местности. Поэтому первый носитель фамилии — не просто «человек из Литомира», а, вероятно, владелец или житель поместья с таким названием.

В польской ономастике фамилия Litomirski встречается, и её связывают с несколькими топонимами: например, Литомир (Litomir) в нынешней Лодзинском воеводстве или Литомерж (Litoměřice) — чешский вариант. Однако русская форма «Литомирский» могла закрепиться как в результате ополячивания, так и при переносе фамилии в русскую среду через униатские или православные регионы Речи Посполитой.

Не стоит путать фамилию с «Литовский» или «Литвинский» — они образованы от этнонимов. Литомирский же держится на личном имени, что делает её более «аристократичной» по происхождению: такие фамилии чаще носили не крестьяне, а мелкая шляхта или духовенство. В XX веке фамилия стала встречаться в еврейской среде — как адаптация польской или украинской фамилии, что тоже не редкость для западнорусских земель.

Географически фамилия тяготеет к западным областям России, Беларуси и Украины. В дореволюционных источниках она фиксируется в Волынской и Подольской губерниях. Сегодня носителей немного, и фамилия сохраняет оттенок региональной исключительности.