Фамилия Толщин — редкий случай в русской ономастике, где прозвище, лёгшее в основу, почти наверняка было ироничным или насмешливым. Вопреки ожиданиям, она не связана с толщиной как физической характеристикой человека. В старых русских говорах слово «толща» имело иное, ныне забытое значение — густая, вязкая грязь, топь, болотистое место. Человек, получивший прозвище Толща, мог жить возле такой топи или, что вероятнее, работать на ней — например, добывать руду или глину в болотистой низине. В северных и центральных губерниях России было немало урочищ с названием Толща, так что прозвище могло перейти и на выходца из конкретной местности.

Словообразовательная модель типична для русских фамилий: суффикс -ин указывает на принадлежность («чей?» — сын Толщи). Такая форма характерна для прозвищ и имён, оканчивающихся на -а или -я: Толща → Толщин. Важно, что фамилия не на -ов, а на -ин, что часто говорит о более древнем или диалектном происхождении основы. Встречаются и однокоренные фамилии — Толщев, Толщагин, но Толщин стоит особняком: суффикс -ин здесь не отчество от библейского имени (как в случае с Ильин или Фомин), а прямое указание на прозвище.

Бытовала фамилия преимущественно в Рязанской, Тамбовской и Владимирской губерниях — регионах с обилием торфяников и болотистых низин. В этих местах слово «толща» в значении «трясина» сохранялось вплоть до начала XX века. Встречаются отдельные упоминания Толщиных и среди крестьян, и среди мещан, но ни о каком дворянском роде с такой фамилией сведений нет — это не аристократическая, а сугубо народная фамилия, закрепившаяся за одним родом по месту жительства или роду занятий.

Спорная версия — связь с прилагательным «толстый» через диалектное «толща» в значении «полнота». Но лингвисты считают её маловероятной: для обозначения тучного человека в русских говорах существовали десятки прозвищ (Толстяк, Толстый, Толстун), а форма «Толща» для этого нехарактерна. Правдоподобнее, что фамилия отражает не внешность, а ландшафт. Толщин — это человек «с толщи», то есть с болота или из глинистого оврага.