Фамилия Птолимеев — редкий случай в русском ономастиконе. Её основа напрямую отсылает к знаменитому древнегреческому имени Птолемей (греч. Πτολεμαῖος), которое носили эллинистические цари Египта и знаменитый астроном Клавдий Птолемей. В русскую культуру это имя попало через церковнославянские тексты и исторические хроники, но в качестве фамильного прозвища оно почти не встречается. Образование фамилии по типичной русской модели: к основе «Птолиме-» (упрощённый вариант имени Птолемей, где выпал звук «й») добавили суффикс принадлежности «-ев», указывающий на родство — «сын или потомок Птолемея».

Скорее всего, фамилия имеет искусственное или семинарское происхождение. В XVIII–XIX веках в духовных училищах и семинариях ученикам нередко давали фамилии по именам античных философов, учёных или библейских персонажей — это был способ подчеркнуть образованность и оторванность от крестьянских корней. Священник или дьячок, знавший труды Птолемея по астрономии или географии, мог получить такую фамилию при поступлении в семинарию. Второй, менее вероятный вариант — прозвище Птолемей могли дать в народе человеку с претензией на учёность или, наоборот, за необычную внешность или поведение, напоминавшее книжного персонажа.

Суффикс «-ев» указывает на то, что фамилия закрепилась в среде, где было принято отчество на «-ев», а не на «-ин». Это типично для фамилий, образованных от имён и прозвищ на мягкий согласный или на «-й». В данном случае форма «Птолимеев» (а не «Птолемеев») отражает народное произношение: греческое «Птолемей» в устной речи упростилось до «Птолимей» или «Птолим», а отчество превратилось в «Птолимеев». Такое фонетическое изменение — лишнее доказательство того, что фамилия не книжная калька, а бытовала в живой речи.

Географически носителей фамилии Птолимеев крайне мало. По данным современных телефонных справочников и баз переписи, она встречается единично в центральных областях России и, возможно, на юге Украины. В дореволюционных списках духовенства фамилия не зафиксирована, что говорит о её позднем закреплении или о том, что она принадлежала не священническому, а скорее мещанскому или купеческому сословию, которое тоже могло заимствовать «учёные» фамилии.

Не стоит путать фамилию с более распространённой Птолемеев — та встречается чаще и тоже семинарская. Птолимеев — её более редкая, «обрусевшая» форма, где ударение, скорее всего, падает на второй слог: Птоли́меев. Для носителя фамилии это, вероятно, единственный способ не путаться с античной историей — и повод гордиться, что предок был не просто крестьянином, а человеком, чьё прозвище или учёное имя сохранило память о звёздах и древних картах.