Фамилия Тологаев — редкий пример фамилии, в основе которой лежит не славянское, а тюркское прозвище. Её разбор стоит начать с корня «тологой», который в ряде тюркских языков (особенно в казахском, алтайском, киргизском) означает «холм», «бугор», «возвышенность». Скорее всего, прозвище Тологай или Тологой давали человеку, жившему на холмистой местности, либо тому, кто был коренастым, плотным — как «бугор». Вторая версия, менее распространённая, связывает основу с тюркским «толык» — «полный, сытый», что могло указывать на зажиточность или дородность носителя.

Суффикс «-ев» — стандартный русский патронимический формант, который присоединяли к иноязычным основам при оформлении фамилий. Это значит, что предок носителя фамилии, вероятно, был крещёным тюрком (например, татарином, башкиром или ногайцем), которого в документах записали как «Тологай», а его потомки стали Тологаевыми. Фамилия встречается в основном в Поволжье и на Южном Урале, что подтверждает её тюркские корни — именно там происходила активная ассимиляция тюркского населения в русскую среду.

В отличие от многих фамилий, где основа прозрачна, здесь возможна путаница с написанием. В метрических книгах XIX века могли фиксировать «Талогаев» или «Тулагаев» — диалектные варианты произношения. Если искать предков, стоит учитывать и эти формы. Тологаевы не принадлежали к дворянству — это фамилия крестьянского или казачьего сословия, чаще всего из числа служилых татар или однодворцев.