Фамилия Полыхалов — яркий пример того, как прозвище, данное человеку за характер или манеру поведения, намертво приросло к роду. В основе лежит глагол «полыхать» — гореть, пылать, сильно пламенеть. В переносном смысле так говорили о человеке вспыльчивом, горячем, несдержанном: «полыхает гневом», «вспыхивает как порох». Второе, более редкое значение — тот, кто работает с огнём, например, кузнец или стеклодув, чья печь постоянно полыхает. Но первая версия, связанная с буйным нравом, встречается в прозвищах гораздо чаще.

Словообразовательная модель здесь классическая для русских фамилий: суффикс -ов присоединился к основе прозвища Полыхал. Форма «Полыхал» — это краткое страдательное причастие или, что вероятнее, усечённая форма от «полыхало» (тот, кто полыхает). Суффикс -ов указывает на принадлежность: «сын Полыхала». Такая модель была самой распространённой на Руси, особенно среди крестьян и посадских людей, и закрепляла за потомками прозвище отца.

Фамилия достаточно редкая, но имеет чёткую географическую привязку. Основной ареал — Пермский край и Кировская область, то есть бывшие земли Вятской губернии. В вятских говорах слово «полыхать» было особенно употребительно, и местные диалектные словари фиксируют прозвище Полыхал как «задира» или «горячая голова». Встречаются Полыхаловы и на Урале, что связано с переселением вятских крестьян в XVIII–XIX веках на заводы и рудники.

В отличие от фамилий, образованных от церковных имён (Иванов, Петров), Полыхалов — чисто прозвищная фамилия, которая не имеет ничего общего с календарными святыми. Это роднит её с такими фамилиями, как Горелов, Буянов или Плаксин. Интересно, что в некоторых переписях XVII–XVIII веков встречается вариант написания «Палихалов» — через «а» в корне, что отражает северное «оканье» или просто неграмотность писаря. Однако исторически верным считается корень «полых-» с буквой «о», так как именно этот глагол («полыхать») зафиксирован в словарях русского языка как литературный.

Сословно Полыхаловы в основной массе были крестьянами, реже — мещанами. Дворянских родов с такой фамилией не отмечено. Таким образом, предки современного носителя фамилии — скорее всего, либо горячий спорщик из вятской деревни, либо, что менее вероятно, мастер, чья работа была связана с огнём.