Фамилия Термихолянцев — один из тех редких случаев, когда в основе лежит не имя или ремесло, а географическое название, причём сильно искажённое в русской передаче. Её ядро — тюркское слово, скорее всего, «Терме» или «Термез» (название древнего города на юге Узбекистана, вблизи границы с Афганистаном). В русских документах и бытовой речи это название могли переосмыслить как «Термихоля» — с добавлением суффикса субъективной оценки или просто из-за неверного произношения. Приставка «Терми-» и вторая часть «-холя» (возможно, от тюркского «хол» — рука, или «холя» — слуга, работник) слились в единое прозвище.

Модель образования фамилии — патронимическая, с русским суффиксом «-ев» (от основы на мягкий согласный) и окончанием «-цев». Формант «-цев» указывает на принадлежность: «Термихолянцев» буквально значит «сын Термихоляна» или «потомок того, кто носил прозвище Термихолян». Получается, что предок носителя фамилии был либо выходцем из района Термеза (и тогда «Термихолян» — это прозвище-указание на родину), либо служил при каком-то местном правителе или торговце, связанном с этим городом.

География фамилии очень узкая. По переписям XIX–XX веков и современным базам данных, Термихолянцевы встречаются почти исключительно в Оренбургской области и на юге Урала. Это совпадает с зоной активных контактов русских казаков и тюркских народов (казахов, башкир, татар). Скорее всего, фамилия возникла в среде оренбургских казаков или яицких (уральских) казаков, которые в XVII–XVIII веках несли службу на южных рубежах, торговали с Хивой и Бухарой, и от них в русскую речь попадали местные названия.

В ономастике это пример так называемой «географической» фамилии с двойной переработкой: исходный топоним сначала адаптировался в прозвище на тюркской почве (Термихолян), а затем оброс русскими суффиксами. Похожие модели — Хивинцев, Бухарцев, Ташкенцев, но у Термихолянцева приставка «Терми-» и вторая часть «-холя» делают её уникальной. Никакой другой фамилии с таким корнем в русских словарях не зафиксировано.