Фамилия Толстобо — редкая и структурно необычная для русского ономастикона. В ней нет привычных суффиксов -ов, -ин или -ский, а окончание -о указывает на то, что перед нами, скорее всего, застывшая форма прозвища в именительном падеже среднего рода. Такие фамилии характерны для украинской или южнорусской традиции, где прозвища на -о нередко становились родовыми именами без дополнительного оформления (ср. Нестеренко, Шевченко, но также и русские фамилии вроде Хитрово, Благово). В случае с Толстобо исходное прозвище звучало как «Толстобой» — человек с толстым боем, то есть с мощным, грузным ударом. Слово «бой» в старом русском языке могло означать не только драку, но и силу, крепость, ударную мощь. Соответственно, Толстобо — это прозвище силача, драчуна или человека крепкого телосложения, наносившего тяжёлые удары.

Возможна и вторая, менее очевидная версия: основа могла быть связана с диалектным «толстобокий» — широкий в боках, плотный. В этом случае «бой» могло быть искажением слова «бок» под влиянием аканья или переосмысления. Однако первая версия (от «толстого боя») более правдоподобна: прозвища, описывающие физическую силу или агрессивное поведение, в крестьянской среде были распространены шире, чем описания телосложения через «бок».

География фамилии крайне узкая. Толстобо встречается преимущественно в южных регионах России — в Ростовской области, Краснодарском крае, а также на востоке Украины. Это коррелирует с зоной распространения украинских фамилий на -о. В центральных и северных областях России фамилия практически не фиксируется, что подтверждает её локальный, южнорусский или малороссийский корень.

Сословно носители фамилии, скорее всего, происходили из крестьян или казаков. Прозвище «Толстобой» могло закрепиться за человеком, который славился силой в кулачных боях — традиционном развлечении на Руси и Украине. Казачьи станицы и сельские общины часто давали такие «говорящие» прозвища, которые затем переходили в фамилии без изменений.

Написание фамилии устойчиво — Толстобо, с ударением на последний слог. Варианты вроде Толстобой встречаются, но как паспортная форма закрепилась именно краткая. Это делает фамилию узнаваемой и редкой: по открытым данным, в России её носят не более нескольких сотен человек.