Фамилия Тимачева образована от мужского крестильного имени Тимофей, которое пришло на Русь вместе с христианством из Византии. Древнегреческое имя Timotheos складывается из двух основ: timē — «почитание, честь» и theos — «Бог», то есть «почитающий Бога». В основу фамилии легла не полная церковная форма, а одна из разговорных, обиходных версий имени — Тимач (в некоторых говорах — Тимаш). Такие усечённые и уменьшительные формы были естественны для повседневной речи: полное имя звучало слишком торжественно для крестьянского и посадского быта, поэтому в ходу были Тима, Тиманя, Тимаш и, соответственно, Тимач.

Покровителем имени считается апостол Тимофей — первый епископ Эфеса, ученик апостола Павла, почитаемый как святой мученик. Однако народная этимология и церковный календарь здесь расходятся: имя Тимач могли давать и в честь других, гораздо более редких греческих имён. Среди них — Тимолай («оказывающий почтение народу»), Тимон («почитающий») или даже Филоктимон, где греческие корни означают «любить» и «приобретение, вещь». Но эти имена в русской традиции почти не использовались, поэтому связывать с ними происхождение фамилии было бы натяжкой. Правдоподобнее всего, что перед нами именно производная от Тимофея: модель «Тимач + суффикс -ев» даёт притяжательное значение «сын Тимача», то есть потомок человека по имени Тимач.

Сама форма Тимачева — это женский вариант фамилии; мужской вариант звучит как Тимачев. Суффикс -ев указывает на принадлежность роду, что типично для русских фамилий, сложившихся в XVI–XVII веках из отчеств и прозвищ. Судя по простонародной основе, предки Тимачевых вряд ли принадлежали к высшим сословиям: скорее всего, родоначальник был крестьянином, ремесленником или рабочим человеком. Фамилия закрепилась за его детьми и внуками, когда после отмены местничества и в ходе переписей населения за потомками стали письменно закреплять семейные прозвания.

Встречаются разные написания — Тимачев и Тимачёв, с ударением на втором или третьем слоге, что зависит от региональной традиции произношения. В целом фамилия не слишком распространена и сохраняет живую связь с народной формой имени, которая сегодня почти вышла из употребления.