Фамилия Тохмахов хранит в основе тюркское прозвище или имя. В её центре — слово «тохмах», которое в ряде тюркских языков (татарском, башкирском, казахском) означает «деревянный молоток», «колотушка», «киянка». Так могли прозвать плотника, столяра или мастера, работавшего с деревом, — человека, чей инструмент был всегда при нём. В переносном смысле «тохмах» иногда закреплялось за упрямым, настойчивым человеком, которого трудно сдвинуть с места, как тяжёлый молот.

Другая версия связывает фамилию с тюркским именем Тохмах. У татар и башкир встречается мужское имя Тохмах (вариант — Тукмах), в основе которого то же значение «молот», но в антропонимике оно выступало как пожелание силы, твёрдости характера, способности «ковать» свою судьбу. От этого имени по обычной русской модели образовалась фамилия с суффиксом -ов: Тохмахов — «сын Тохмаха».

Фамилия редкая, её географический центр, скорее всего, — Поволжье и Приуралье, регионы с давним татарским и башкирским населением. Среди русских фамилий с похожей основой — Тохтаров, Тохтамышев. Но Тохмахов стоит особняком: оно не связано с монгольским ханом или чином, а уходит корнями в ремесло и быт. Если предки были крещёными татарами или башкирами, фамилия могла закрепиться в XVI–XVII веках, когда тюркские имена активно входили в русскую ономастику через служилых людей и крестьян.

В написании фамилии нет вариантов вроде «Тахмахов» или «Тохмаков» — это устойчивая форма. Встречается она и у осетин, что объяснимо: у осетин есть фамилия Тохмахов, и её связывают с тюркским же прозвищем Тохмах, занесённым на Кавказ через ногайцев или кумыков. Таким образом, Тохмахов — пример фамилии, в которой за бытовым названием инструмента скрывается целый пласт межэтнических контактов и профессиональных прозвищ.