Фамилия Мархолия — редкая, и её происхождение не лежит на поверхности. В отличие от массовых фамилий на -ов или -ин, эта имеет характерный суффикс -ия, который в русской ономастике указывает на иноязычное, чаще всего западное или южнославянское, происхождение. В русском языке такая модель встречается в фамилиях, которые пришли из польского, украинского, белорусского или румынского языков. Скорее всего, Мархолия — это русифицированная или адаптированная форма фамилии, которая изначально звучала как Мархоля или Мархоль.

Основа фамилии — «Мархол-» — восходит к личному имени Мархол (или Мархель). Это имя, в свою очередь, является вариантом древнееврейского имени Маркел (Маркелл), которое означает «воинственный», «посвящённый Марсу». В народной среде имя Мархол могло закрепиться как прозвище, а затем и как фамилия. Суффикс -ия в данном случае — это не русский патронимический суффикс, а скорее окончание, которое в польском или украинском языках могло оформлять фамилию по женскому роду (как, например, в фамилиях типа Мархоля), но в русском контексте оно закрепилось в неизменной форме.

Географически фамилия Мархолия встречается крайне редко, и её очаги, вероятно, находятся в западных регионах бывшей Российской империи — на территории современной Беларуси, Украины или в бывших польских губерниях. В этих краях фамилии на -ия нередко получали священники или люди, связанные с церковной средой (через латинизированные формы имён), а также выходцы из мещанских или крестьянских семей, чьи фамилии записывали польские или австрийские чиновники.

Есть и другая, менее вероятная версия: Мархолия может быть топонимической фамилией, образованной от названия населённого пункта — например, местечка Мархоли или Мархолевка. Такие названия встречаются в Польше и на западе Украины. Если предки человека переехали оттуда, их могли записать по месту выхода: «Мархолия» — то есть «тот, кто из Мархолей».

Таким образом, носитель фамилии Мархолия, скорее всего, имеет корни в западнорусских или польско-украинских землях, а его предок мог носить имя Мархол или происходить из одноимённого села. Фамилия не относится к старинным боярским или дворянским родам — её носители были, вероятно, крестьянами, мещанами или духовенством.