Фамилия Толимова — женская форма фамилии Толимов. Она образована по стандартной русской модели с суффиксом -ов, который указывает на принадлежность: «чей?» — «Толимов», то есть потомок человека по прозвищу или имени Толим. Основа фамилии — имя или прозвище Толим, которое в русской ономастике встречается редко и заслуживает отдельного разбора.

Самая вероятная версия связывает Толима с тюркскими языками. В казахском, башкирском и татарском есть слово «толым» — «полнота», «обилие», «достаток». Прозвище Толим могли дать человеку полному, дородному, либо, в переносном смысле, тому, кто жил в достатке. В тюркской среде такие прозвища были распространены, и при переходе в русскую культуру они оформлялись суффиксом -ов. На это указывает и география фамилии: Толимовы чаще всего встречаются в Поволжье и на Урале — регионах, где веками соседствовали русские и тюркские народы.

Менее убедительна версия, что Толим — это вариант крестильного имени Толик (от греческого Анатолий), с заменой суффикса на -им. Но для русского именослова такое словообразование нетипично, и тюркское происхождение выглядит правдоподобнее.

Фамилия Толимова не принадлежит к числу древних дворянских родов — её нет в Бархатной книге или родословных сборниках. Скорее всего, предки носительницы фамилии были крестьянами или посадскими людьми, получившими фамилию в XIX веке после отмены крепостного права, когда прозвище окончательно закрепилось за семьёй. Встречается фамилия и в форме Талимов — с заменой гласной, что характерно для устной передачи имени в разных диалектах.