Фамилия Толгобольский — редкая и структурно прозрачная, но с неочевидной семантикой. Она образована по продуктивной модели с суффиксом -ск- (в форме -ский), которая в русской ономастике чаще всего указывает на географическое происхождение носителя: выходец из места, называвшегося Толгоболь или Толгоболье. В этом случае фамилия отвечает на вопрос «откуда родом?» и относится к категории «княжеских» или «дворянских» по форме, хотя на деле могла принадлежать и крестьянину, переселившемуся из конкретной деревни.

Разбор основы ведёт к двум корням: «толг-» и «-боль-». Первый, «толг», может восходить к древнерусскому «тълкъ» — толк, смысл, или к диалектному «толга» — топкое место, болото (ср. река Толга под Ярославлем, где стоит известный Толгский монастырь). Второй корень, «боль», вероятно, связан с «большой» или «болий» (сравнительная степень от «великий»). Таким образом, Толгоболь — это сложное слово, которое можно интерпретировать как «большое болото» или «великий толк». Первая версия топонимически правдоподобнее: многие русские названия с корнем «толг» привязаны к влажным низинам.

Однако есть и альтернативная, менее вероятная гипотеза: фамилия могла возникнуть как прозвище из двух частей — «толго» (от «толгнуть» — толкать, пихать) и «боль» (от «болеть»). В этом случае прозвище характеризовало бы человека навязчивого или болезненно упрямого. Но эта версия слаба, так как суффикс -ский почти всегда «привязывает» фамилию к месту, а не к личному качеству.

География фамилии сегодня крайне узкая. Толгобольские встречаются в основном в Центральной России и Поволжье, что косвенно подтверждает связь с ярославскими или костромскими землями, где распространены топонимы с корнем «толг». В дореволюционных источниках фамилия не фиксируется как дворянская — скорее всего, это поздняя фамилия крестьян или мещан, получивших её по названию деревни, которая могла исчезнуть или сменить имя.

С точки зрения словообразования, фамилия уникальна тем, что сочетает редкий корень «толг» с продуктивным суффиксом, создавая двусоставную основу, нехарактерную для массовых русских фамилий. Похожих по структуре фамилий мало — можно вспомнить разве что Толгобов или Толгуров, но они образованы иначе. Толгобольский стоит особняком, и его носитель почти наверняка происходит из конкретного, ныне забытого места с болотистой местностью.