Фамилия Толомеева образована от просторечной формы канонического имени Птоломей. В переводе с греческого это имя означает «воинственный». Исторический след имени ведет в эпоху диадохов: Птоломеями звали египетских царей, правивших после смерти Александра Македонского, а само имя носили полководцы и ученые эллинистического мира.

В русской традиции длинное и непривычное для слуха церковное имя Птоломей в обиходе сокращали и упрощали. Так появилась форма Толомей, которая и легла в основу фамилии. Подобное упрощение — типичный пример народной переработки заимствованного имени: ударные слоги смещались, а начальный звук «п» отпадал, чтобы имя звучало более естественно для восточнославянской фонетики.

Притяжательный суффикс -ев указывает на принадлежность: Толомеева буквально означает «дочь (или жена) Толомея». Модель типична для русских фамилий, образованных от личных имен, и закреплялась в семьях, где отца или основателя рода звали Толомеем. Суффикс -ев, а не -ов, объясняется мягкостью конечного согласного основы.

Мирское имя Толомей встречалось в среде крестьян и посадских людей, где церковные имена нередко бытовали в усеченных вариантах. Носитель такого имени не имел отношения к царской династии — напротив, просторечная форма подчеркивает простое происхождение предка. Фамилия фиксирует тот момент, когда потомки перестали быть просто «Толомеевыми детьми» и получили наследственное прозвание.

Встречаемость фамилии невысока, что объясняется редкостью исходного имени в святцах. Птоломей не принадлежал к числу распространенных крестильных имен, поэтому и фамилия осталась относительно редкой, сохранив в себе память об одном из самых необычных имен в русском именослове.