Фамилия Тмерева — женская форма фамилии Тмерев, и её происхождение неочевидно на первый взгляд. В русской ономастике фамилии с корнем «тмер-» встречаются редко, и это сразу выделяет их из общего ряда. Основа, скорее всего, связана с древнерусским или диалектным словом, которое вышло из употребления.

Наиболее вероятная версия — происхождение от прозвища Тмерь, которое могло относиться к человеку, занимавшемуся тлением или обработкой чего-либо, связанного с гниением (например, кожевник, работавший с дубильными растворами, или человек, живший у болотистой местности). В русских говорах «тметь» означало «гнить, преть», а «тмерево» — «гниль, топь». Суффикс «-ев» указывает на принадлежность: Тмерев — сын или потомок Тмеря. Таким образом, фамилия могла закрепиться за жителем болотистой низины или за мастером по выделке кож, где процессы тления были частью ремесла.

Менее вероятна, но возможна связь с географическим названием. В исторических документах встречаются топонимы вроде урочища Тмерево или речки Тмерка (в основном в центральных и северных регионах России). Если предок происходил из такого места, фамилия могла образоваться от названия местности по модели «житель Тмерева» → «Тмерев». Однако эта версия менее распространена, так как следов таких названий в современных справочниках почти нет.

Сравнение с однокоренными фамилиями, например, Тмелин или Тмелов, показывает, что все они редки и, скорее всего, имеют единый диалектный источник. В словарях Б. Унбегауна и В. Никонова прямых упоминаний фамилии Тмерев нет, что подтверждает её локальный характер. Носители фамилии Тмерева, вероятно, происходят из небольшого числа родов, сосредоточенных в прошлом в одной местности — возможно, в тверских или новгородских землях, где болотистый ландшафт давал повод для таких прозвищ.