Фамилия Токтамызов — один из тех редких случаев, когда в основе лежит не славянское имя или прозвище, а тюркское личное имя, причём исторически очень громкое. Корень здесь — Токтамыз (варианты: Тохтамыш, Токтамыш). Это имя носил хан Золотой Орды конца XIV века, тот самый, что сжёг Москву в 1382 году. Однако напрямую связывать носителей фамилии с ханом не стоит: Токтамыз было распространённым тюркским именем, которое давали детям, желая им «остаться», «устоять» (от тюркского tokta- — «останавливаться», «оставаться»). Считалось, что такое имя-оберег защитит ребёнка от ранней смерти.

Модель образования фамилии стандартная для русского языка: к тюркской основе Токтамыз добавили русский патронимический суффикс -ов. Получается «сын Токтамыза». Суффикс -ов, а не -ин, указывает на то, что исходное имя заканчивалось на твёрдый согласный (з). В среде, где фамилия формировалась, имя Токтамыз уже воспринималось как фамильное прозвище или как мирское имя, которое носил предок.

Географически фамилия тяготеет к регионам, где русское население долго и плотно контактировало с тюркскими народами: Поволжье, Приуралье, юг Сибири. Встречается она нечасто. В дореволюционных источниках, например, в списках казаков Оренбургского войска или крестьян Казанской губернии, можно найти носителей фамилии Токтамышев (фонетически более близкий к исходному имени вариант). Форма Токтамызов — результат дальнейшей адаптации: звук «ш» на конце имени (Токтамыш) в русском произношении мог заменяться на «з» (как в фамилии Токмаков от тюркского tokmak — «молот»).

Интересная деталь: в отличие от многих фамилий тюркского происхождения, которые образованы от прозвищ по профессии (например, Кузнецов — тюркское Темиров) или внешности, Токтамызов — чисто именная фамилия. Предок не был ни ремесленником, ни обладателем яркой черты — он просто носил имя с сильным охранительным смыслом. Сословно носители фамилии, скорее всего, происходили из служилых татар, перешедших на русскую службу, или из крестьян-старожилов тех мест, где тюркские имена были частью местной ономастики.