Фамилия Тохтамысова — женская форма мужской фамилии Тохтамысов, которая образована от имени Тохтамыс. Это имя имеет тюркское происхождение и восходит к словосочетанию «тохта» (стой, остановись) и «мыс» (мысль, намерение). В буквальном переводе имя Тохтамыс означало «останови мысль» или «будь осмотрительным» — такое имя могли дать ребёнку, желая ему рассудительности и спокойного нрава. Встречается и другая интерпретация: «тохта» может быть формой глагола со значением «держаться, крепиться», что даёт смысл «крепкий мыслью» или «стойкий в намерениях».

Наиболее известным носителем корня является хан Тохтамыш — правитель Золотой Орды в конце XIV века, который сжёг Москву в 1382 году. Однако не стоит напрямую связывать фамилию Тохтамысовых с этим историческим персонажем: в тюркской ономастике имя Тохтамыш (с конечным -ш) и Тохтамыс (с конечным -с) — это разные формы. Тохтамыс — более старая и менее распространённая версия, которая в русской среде могла упроститься до Тохтамысов. Фамилия встречается в основном среди татар, башкир и других народов Поволжья и Приуралья, а также в среде русских, чьи предки были крещёными татарами или выходцами из Орды.

Словообразовательная модель проста: основа Тохтамыс + патронимический суффикс -ов (в женском варианте -ова). В русской традиции такие фамилии закреплялись за потомками человека по имени Тохтамыс, который, скорее всего, был уважаемым или заметным человеком в своей общине — воином, старостой или просто человеком с твёрдым характером. Суффикс -ов указывает на принадлежность: «чей?» — Тохтамысов, то есть сын или дочь Тохтамыса.

В дореволюционной России фамилия Тохтамысова могла принадлежать как крестьянам, так и служилым людям — «служилым татарам» или казакам, которые несли пограничную службу. Встречается она и в дворянских родословных, но крайне редко. В современной России носители фамилии живут в Татарстане, Башкортостане, а также в Оренбургской и Челябинской областях. Фамилия не массовая, но и не исчезающая — она сохраняет память о тюркском имени с древним и точным значением.