Фамилия Толитченко звучит на украинский лад, хотя встречается и в русской среде. Её основа — неканоническое личное имя или прозвище Толитка. Корень здесь тот же, что и в именах Анатолий или, что вероятнее, Толстой, но с уменьшительно-пренебрежительным суффиксом -итк-. В украинской традиции суффикс -енко означает «сын» или «потомок», так что Толитченко — буквально «сын Толитки». Это типичная модель для фамилий, возникших в среде казачества и крестьянства Левобережной и Слободской Украины в XVII–XVIII веках.

Вероятнее всего, исходным прозвищем Толитка наградили человека либо с избыточным весом (от «толстый»), либо, что реже, по имени Толя в снисходительной форме. Сравните с фамилиями Толстенко, Толстяков — все они отсылают к той же физической характеристике. В пользу версии с Анатолием говорит редкость основы: Толитка могло быть домашним именем, которое закрепилось за человеком, а затем перешло к его детям как фамилия.

Фамилия Толитченко не относится к числу распространённых. Она не попала в массовые списки дворянских родов, а значит, предки носителя, скорее всего, были реестровыми казаками, мещанами или государственными крестьянами. Географически фамилия тяготеет к Полтавщине, Черниговщине и соседним областям России (Курская, Белгородская губернии), где украинское население было плотным. Встречаются также варианты написания Толитченко и Толиченко — с одной «т», что могло возникнуть из-за упрощения при письме или диалектного произношения.

В ономастических справочниках эта фамилия не описана подробно, но её строение прозрачно: суффикс -енко, основа от прозвища, отсутствие дворянской приставки. Всё это указывает на простое происхождение в среде, где фамилии складывались стихийно, по отцу или по характерной черте.