Фамилия Тарновцева — женская форма фамилии Тарновцев, а та, в свою очередь, образована от прозвища или мирского имени Тарновец. В основе лежит слово «тарн» — в русских говорах так называли болотистое место, топь, моховое болото с редким лесом. Человек, получивший такое прозвище, мог жить у «тарна» или быть родом из местности с похожим названием — например, из села Тарново, Тарновка. В ономастике это типичная модель: основа (топоним или характеристика местности) плюс суффикс -ец, указывающий на принадлежность к месту («тарновец» — выходец из Тарнова или житель тарна). Затем к основе Тарновец добавился патронимический суффикс -ев, что буквально означало «сын Тарновца».

Фамилия редкая и имеет чёткую географическую привязку к северным и центральным областям России, особенно к Вологодчине и Архангельской губернии, где слово «тарн» активно бытовало в диалектах. В отличие от фамилий на -ский (вроде Тарновский), которые чаще указывают на шляхетское или польское происхождение от города Тарнув, Тарновцевы — коренные русские крестьяне или посадские люди. Форма на -цев (-цов) типична именно для русского севера и востока, где суффикс -ец со временем приращивался к прозвищам, а затем фамилию «подогнали» под стандартный патроним.

Есть и альтернативная, менее вероятная версия: от имени Тарн — краткой формы редкого канонического имени Тарасий (через народную форму Тарас → Тарн). Но в этом случае фамилия звучала бы как Тарнов или Тарнин, а не Тарновцев. Поэтому связь с болотом и местностью остаётся основной.

В написании «Тарновцева» стоит обратить внимание на букву «о» в корне: она безударная, и в старых документах фамилию могли записать как «Тарнавцева» (под влиянием аканья), но исторически верная форма — через «о». Носители фамилии встречаются в основном в Вологодской и Ярославской областях, а также в среде старообрядческих общин.