Фамилия Тимофеэв — редкий орфографический вариант, который почти наверняка возник из-за ошибки или описки в документах. Её основа — каноническое мужское имя Тимофей (от греческого «почитающий Бога»), но стандартная форма фамилии от него — Тимофеев. Появление буквы «э» вместо «е» в суффиксе — аномалия: в русском языке суффикс притяжательных фамилий пишется через «е» (-ев), а «э» обычно встречается в заимствованных словах или фамилиях неславянского происхождения. Скорее всего, в XIX — начале XX века, при записи фамилии в метрическую книгу или паспорт, писарь на слух передал мягкое произношение основы («Тимофе-») как «Тимофэ-», а затем закрепил это в написании. Возможно, носитель сам настаивал на таком варианте, чтобы выделиться на фоне многочисленных Тимофеевых.

Словообразовательно фамилия Тимофеэв ничем не отличается от Тимофеева: суффикс -ев указывает на принадлежность («чей?»), то есть предка звали Тимофей. В крестьянской среде, где фамилии часто давали по отцу, Тимофеевы (и Тимофеэвы) были распространены повсеместно, особенно в центральных и северных губерниях России. Сословной привязки у фамилии нет — её могли носить и крестьяне, и мещане, и духовенство. Однако сам факт нестандартного написания «Тимофеэв» говорит о том, что её носители, вероятно, происходили из местности, где местный говор или диалект влиял на письменную фиксацию, либо документы оформлялись малограмотным писарем.

В ономастических справочниках, например в работах Б. Унбегауна, такой вариант не фиксируется — он считается просто графической ошибкой. Поэтому при поиске своих корней носителю фамилии Тимофеэв стоит учитывать, что в архивах предки могли записываться как Тимофеевы, Тимофеевы-с-«ять» или даже Тимофѣевы (до реформы орфографии 1918 года). Современная форма с «э» — скорее семейная традиция, чем отдельная этимологическая линия.