Фамилия Тохтамысов — один из тех редких случаев, когда носитель фамилии может с высокой вероятностью определить её происхождение, даже не заглядывая в словари. Основа здесь — историческое имя Тохтамыш. Это имя принадлежало хану Золотой Орды конца XIV века, известному походом на Москву в 1382 году.

Однако прямое родство с ордынским правителем маловероятно. В русской ономастике фамилии на -ов/-ев, образованные от тюркских имен, обычно фиксировали прозвище, а не прямое наследие. Тохтамышем могли прозвать человека за крутой нрав, властность или за внешнее сходство с историческим персонажем (например, за окладистую бороду или суровый взгляд). В народной среде такие прозвища давали не в память о хане, а по ассоциации — «он у нас как Тохтамыш».

Само имя Тохтамыш имеет тюркскую этимологию. Оно восходит к корням «тохта» (стой, остановись) и «мыш» (аффикс, образующий имя). Буквально — «остановившийся», «стойкий», «постоянный». В тюркской традиции такие имена давали с пожеланием ребёнку твёрдости духа и упорства. В русских документах фамилия фиксируется с XVII века, в основном в среде служилых людей и казачества — именно там чаще встречались тюркские прозвища, переходившие в фамилии.

Словообразовательная модель типична для русского ареала: основа на согласный (Тохтамыш) плюс патронимический суффикс -ов. Более редкий вариант — Тохтамышев, где суффикс -ев появляется из-за мягкой основы. Оба варианта встречаются, но «Тохтамысов» грамматически строже: фамилия отвечает на вопрос «чей?» — сын Тохтамыша, а не Тохтамышев (хотя в быту путаница допустима).

Географически фамилия редкая, но не точечная. Её носители встречаются в Поволжье (особенно в Татарстане и Башкортостане), на Урале и в Сибири. Это объяснимо: именно в этих регионах русское население веками контактировало с тюрками, перенимая имена и прозвища. В центральных областях России фамилия почти не встречается — это дополнительный маркер того, что предки носителя, скорее всего, были либо служилыми людьми на южных и восточных рубежах, либо переселенцами из зон активного русско-тюркского пограничья.