Фамилия Толмаев — один из тех случаев, когда внешне прозрачная основа может обмануть. На первый взгляд, корень «толм» наводит на мысль о слове «толмач» (переводчик), но здесь работает другая словообразовательная модель. Фамилия образована от прозвища или имени Толмай с помощью стандартного русского патронимического суффикса -ев (вариант -ов после мягкой основы). То есть Толмаев буквально означает «сын Толмая».

Само прозвище Толмай — это краткая, усеченная форма от тюркского слова «толмач». В древнерусской и татарской среде «толмачами» называли устных переводчиков, особенно при дипломатических и торговых делах. Усечение имен и прозвищ было обычным делом: длинное и сложное для произношения слово «толмач» превращалось в обиходное Толмай. Такая же модель видна в фамилиях Толмачев (от полного «толмач») и Толмазов, где основа уже другая.

Географически фамилия Толмаев встречается не повсеместно, а с заметным перевесом в Поволжье и Приуралье — в Татарстане, Башкортостане, Оренбургской и Самарской областях. Эта привязка неслучайна: именно в этих краях веками жили тюркоязычные народы, и русские фамилии с тюркскими корнями здесь особенно часты. Толмаев мог быть потомком человека, который служил толмачом, либо просто получил такое прозвище за способность быстро и ловко объясняться на нескольких языках.

В написании фамилии есть одна особенность: ударение практически всегда падает на последний слог — Толма́ев. Это отличает её от фамилии Толмачёв, где ударение смещается на «ё». Если встретите вариант Толмаёв — это, скорее всего, орфографическая ошибка или местный говор.

По сословной принадлежности Толмаевы в основном были крестьянами и мещанами, но отдельные ветви, особенно в среде служилых татар, могли принадлежать к мелкопоместному дворянству. Точных данных о знаменитых носителях фамилии в открытых источниках мало, что говорит о её преимущественно народном, не аристократическом происхождении.