Фамилия Тименцева — женская форма фамилии Тименцев. Её основа — прозвище или нецерковное имя Тименец. В русской ономастике суффикс -ец часто указывал на принадлежность к местности или на характерный признак человека: «тот, кто из такого-то места» или «обладающий таким-то качеством». Сравните: вологжанец, донец, молодец.

Корень «тим-» в русских фамилиях неоднозначен. Самая вероятная версия — связь с диалектным словом «тимень» (или «темя»). В говорах Русского Севера «тимень» означало «темя», «макушка головы», а также «вершина», «верхушка» чего-либо. Прозвище Тименец могли дать человеку с заметной макушкой, высокому, либо тому, кто «выбивался вверх» — был заводилой или старшим. Менее распространённая гипотеза выводит корень из тюркского «тимен» (верблюд) — но для фамилии с русским суффиксом -ец это маловероятно, так как тюркские прозвища обычно давали по внешности или характеру, а не по экзотическому животному.

Фамилия фиксируется преимущественно в центральной России и Поволжье. По данным переписей конца XIX века, Тименцевы встречались в Курской, Тамбовской и Саратовской губерниях. Это указывает на крестьянское или мещанское происхождение: фамилии на -ец/-ов редко встречались у дворян, чаще у посадских людей и крестьян, получивших фамилии после отмены крепостного права.

Словообразовательная модель «основа + -ец + -ев» (Тимен-ец-ев) — довольно редкая. Обычно суффикс -ец присоединялся к географическим названиям или личным именам, а затем добавлялся патронимический суффикс -ов. То есть Тименцев буквально означает «сын Тименца». В отличие от более частых фамилий на -ин (Тименцев — не от женского имени), здесь явно мужское прозвище.

Если сравнивать с однокоренными фамилиями, то Тименцов, Тименев, Теменев — все они восходят к тому же корню «тимен/темен». Разница только в суффиксах: -ов, -ев, -ин. Фамилия Тименцева — патроним второго порядка, сохранивший архаичную форму, которая в XX веке почти не образовывалась.