Фамилия Олонцев — это классический пример «географического» прозвища, которое закрепилось за родом. Её основа — название города Олонец, одного из древнейших поселений Карелии. Такую фамилию получал человек, который перебирался на новое место из этих краёв: за ним закреплялось прозвище Олонец, а его дети и внуки уже становились Олонцевыми. Модель простая и очень распространённая: суффикс -ев присоединялся к основе на мягкий согласный, указывая на принадлежность роду человека по прозвищу.

Само название города восходит к древневеппскому слову «алнус», что значит «низина». Раньше это место называли Алонсь или Олонсь — так финно-угорские племена обозначали болотистую низинную местность. В письменных источниках Олонец впервые упоминается в Уставной грамоте новгородского князя Святослава Ольговича в 1327 году. Уже тогда, во времена новгородской независимости, поселение принадлежало новгородскому владыке.

История Олонца — это история пограничного форпоста. Во времена русско-шведских войн XVI—XVII веков город неоднократно разорялся. В 1649 году на слиянии рек Олонка и Мегрега, на месте, известном как Толмачев наволок, заложили «порубежную крепость» Олонец. Её возвели стараниями князя Фёдора Волконского и воеводы Степана Елагина, и она стала главным оплотом в борьбе со шведами. Чтобы город не пустовал, сюда переселяли состоятельных крестьян из заонежских погостов — тех, кто занимался торговлей и железоделательным промыслом.

Посадские люди Олонца во второй половине XVII столетия были предприимчивыми торговцами: на небольших судах они добирались даже до Стокгольма. Стратегическое значение крепости сохранялось до 1721 года, когда после Северной войны шведская граница отодвинулась на север. В XVII—XVIII веках Олонец оставался крупным купеческим центром, но с образованием Олонецкой губернии в конце XVIII века административный центр переместился в Петрозаводск, и Олонец стал тихим провинциальным городком.

Стоит различать фамилию Олонцев и однокоренные Олонецкий или Олонецких. Форма на -цев почти наверняка указывает на то, что предок носителя фамилии был выходцем из Олонца, но жил уже в другом месте. Фамилии на -ский чаще закреплялись за дворянами по названию владения, а форма на -цев — это «народный» вариант, типичный для крестьян и посадских людей. О точном месте и времени возникновения фамилии говорить сложно: процесс формирования русских фамилий растянулся на несколько столетий, и разные ветви рода могли независимо друг от друга получить одно и то же прозвище.