Фамилия Толмаева — женская форма, а её мужской вариант Толмаев. В основе лежит прозвище или мирское имя Толмай. В старину так могли называть человека, который занимался переводом, толмачеством. Слово «толмач» (переводчик, устный переводчик) широко бытовало в древнерусском языке, а уменьшительная форма «Толмай» образовывалась по той же модели, что и «Первай» от «первый», «Шестай» от «шестой». Суффикс -ев в фамилии указывает на принадлежность: «Толмаев» буквально значит «сын Толмая» или «из рода Толмая».

В ономастике встречается и другая версия: Толмай могло быть не прозвищем, а производным от крестильного имени. В святцах есть имя Фома (в просторечии Хома), и в ряде говоров «толмай» — это искажённое «Фомай», то есть уменьшительное от Фомы. Однако эта гипотеза менее убедительна: фонетический переход «ф» в «т» для русских диалектов нехарактерен, а связь с толмачеством прямая и документально подтверждена в памятниках деловой письменности.

Географически фамилия Толмаев (и Толмаева) встречается в Поволжье и на юге России, особенно в бывших казачьих областях — в Ростовской, Волгоградской областях, а также в Татарстане. Это указывает на то, что предки носителей фамилии могли быть служилыми людьми, толмачами при воеводах или приказных избах, которые переводили с татарского, калмыцкого или других языков. В XVI–XVII веках толмачи состояли на государевой службе в Посольском приказе, но были и «площадные» толмачи, работавшие на рынках и ярмарках.

В словаре русских фамилий Б. О. Унбегауна фамилия Толмаев отнесена к группе, образованной от названий профессий. Интересно, что в некоторых регионах (например, в Сибири) слово «толмач» могло означать не только переводчика, но и вообще бойкого, речистого человека, который умел «толмачить» — растолковывать, объяснять. Так что прозвище Толмай мог получить и просто говорун, любитель поговорить.