Фамилия Полуторова образована от прозвища или нецерковного имени Полутор, и её основа — редкий случай, когда в фамилию перешло слово, обозначающее не просто признак, а точную количественную меру. Полутором в русских говорах называли предмет размером или весом в полтора раза больше обычного: полуторный топор, полуторный мешок, полуторный каравай. Прозвище Полутор мог получить крупный, плотный человек — не обязательно великан, но заметно выше или шире среднего. В некоторых диалектах «полуторой» называли также нечто неполноценное, половинчатое, но для фамилии эта версия менее вероятна: прозвища от меры обычно давали по избытку, а не по недостатку.

Суффикс -ов указывает на типичную русскую патронимическую модель: Полуторов — сын Полутора. Фамилия фиксируется в центральных и северных областях России, особенно в Вятском крае и на Урале, где прозвища от бытовых мер встречались чаще, чем в дворянской среде. В переписных книгах XVII века можно встретить крестьян и посадских с именем Полуторко — уменьшительной формой того же корня.

Интересно, что фамилия Полуторова (женская форма) и Полуторов (мужская) не имеет отношения к военной или транспортной лексике — «полуторка» как грузовик ГАЗ-АА появилась только в 1930-х годах, а фамилия значительно старше. Поэтому связывать её с автомобилем или полуторной ставкой ошибочно. Родственные фамилии — Полуторнов (от «полуторный»), Полторацкий (от названия местности или прозвища Полторак), но Полуторов стоит особняком: в ней мера перешла прямо в личное именование без дополнительных суффиксов.

Встречаемость фамилии невысокая — это редкая антропонимическая единица, сохранившая бытовую конкретику допетровской Руси. Носительницы фамилии Полуторова в большинстве своём происходят из крестьянских или мещанских родов, где прозвища по физическим признакам были естественной частью повседневного именования.