Фамилия Тимафеева — женская форма от Тимафеев, а та, в свою очередь, восходит к просторечной версии крестильного имени Тимофей. В русской народной среде имя Тимофей часто произносили как Тимафей — с ударением на второй слог и с «а» вместо «о» под влиянием акающих говоров. Так возникла основа Тимафей, к которой добавили стандартный патронимический суффикс -ев, указывающий на принадлежность: «сын Тимафея».

Мужская форма Тимафеев — сравнительно редкий вариант по сравнению с привычным Тимофеев. В документах XVII–XVIII веков встречаются обе записи, и выбор написания часто зависел от местного произношения. Если предок записан как Тимафеев, это почти наверняка указывает на его происхождение из южнорусских или среднерусских областей, где аканье (произношение «а» вместо безударного «о») было нормой. В северных говорах, напротив, сохраняли «о», и фамилия закреплялась как Тимофеев.

Женская форма Тимафеева, как и все русские фамилии на -ова, не меняет основы: она образована механически, без дополнительных суффиксов, и означает «жена или дочь Тимафеева». В быту до революции женщину могли называть «Тимафеевой» только по мужу или отцу, а её собственная девичья фамилия была другой.

С точки зрения словообразовательной модели, фамилия Тимафеев — типичный пример того, как народная фонетика корректировала церковное имя. Подобные случаи встречаются у многих фамилий: Алексашин (от Александра через Алексаша), Митриев (от Дмитрий) или Катеринин. Ономасты отмечают, что такие варианты не считаются ошибочными — они отражают живую речь и местные диалектные особенности.

В современных базах данных фамилия Тимафеева встречается реже, чем Тимофеева, но стабильно — преимущественно в центральных и южных регионах России. Сословной привязки у неё нет: Тимафеевыми могли быть и крестьяне, и мещане, и священники, поскольку имя Тимофей было распространено во всех слоях общества.