Фамилия Тимлева образована от мужского имени Тимлей или прозвища Тимлей через притяжательный суффикс -ев. Основа здесь — краткая форма одного из крестильных имён на Тим-: Тимофей, Тимофей (в просторечии Тимка, Тимша), а также редкого Тимофей. В русском языке суффикс -лей характерен для уменьшительно-ласкательных форм, особенно в северных и сибирских говорах: Тимлей — «Тимофеюшка». Фамилия с таким суффиксом встречается редко, что указывает на её локальное происхождение.

Географически фамилия Тимлева тяготеет к северу России — Архангельской, Вологодской областям, а также к Уралу. В переписях XVII–XVIII веков Тимлевы фиксировались среди крестьян и посадских людей, изредка — среди однодворцев. Суффикс -ев, а не -ов, указывает на то, что основа оканчивалась на мягкий согласный или на -й: Тимлей → Тимлева (сын Тимлея, дочь Тимлея). В говорах фамилия могла звучать как Тимлёва, с ударением на второй слог, но в литературном произношении закрепилось ударение на первом слоге.

Вторая, менее вероятная версия связывает фамилию с прозвищем Тимлей от диалектного глагола «тимлить» — «медлить, тянуть». В этом случае прозвище дали неторопливому человеку. Однако ономасты (в частности, Б. Унбегаун в «Русских фамилиях») не приводят такой основы, поэтому версия с именем Тимофей считается основной.

Фамилия не имеет отношения к дворянским родам: Тимлевы не входили в «Бархатную книгу» или «Гербовник». Среди известных носителей — разве что единичные упоминания в местных церковных метриках XIX века, например, крестьянин Иван Тимлев из Шенкурского уезда. В современной России фамилия остаётся малочисленной, что делает её уникальным маркером конкретной семейной линии.