Фамилия Полтарыхин — редкий случай, когда в основе лежит не имя и не профессия, а числительное, причём в необычной исторической форме. Корень здесь — «полтары», то есть «полтора». В старых русских говорах слово «полтара» (или «полторы») означало «полтора», «один с половиной». Прозвище Полтарых могли дать человеку по разным причинам: либо за рост — «полтора человека», то есть очень высокий, либо за возраст или физическую особенность, либо в насмешку над тем, кто носил одежду не по размеру.

Суффикс «-ых» указывает на северорусское или сибирское происхождение. В этих регионах фамилии часто образовывали от прозвищ в родительном падеже множественного числа: Полтарых — «из семьи Полтарыха». Форма «Полтарыхин» — вторичная, более поздняя: к уже готовой фамилии на «-ых» добавили суффикс «-ин», характерный для центральной России. Такое удвоение суффикса встречается нечасто и говорит о том, что носители фамилии могли мигрировать с севера в центральные губернии, где местные писцы «подогнали» фамилию под привычный им образец.

В словарях фамилия не зафиксирована у известных дворянских родов. Это крестьянская или мещанская фамилия, скорее всего, из Вятской, Пермской или Архангельской губерний — именно там распространены прозвища с числительными и суффикс «-ых». Встречается вариант Полторыгин — с тем же корнем, но с другим суффиксальным оформлением.

Другие версии — от тюркского «балта» (топор) или от греческого имени Полидор — маловероятны. Они не объясняют ни числительного «полтары», ни характерного суффикса «-ых». Фамилия Полтарыхин — один из немногих примеров, когда прозвище «на вырост» закрепилось в документах и дошло до наших дней в почти неизменном виде.