Фамилия Толстолик — редкий пример русской фамилии, образованной напрямую от прозвища по внешнему признаку. В ней нет суффиксов принадлежности (-ов, -ин, -ский), которые обычно добавляли к основе, чтобы указать на родство («чей сын?»). Фамилия застыла в форме чистого прозвища, что указывает на её позднее оформление или на то, что она могла закрепиться за человеком в документах уже в XVIII-XIX веках, когда крестьянам и мещанам давали фамилии без переработки.

Основа фамилии прозрачна: «толстый лик», то есть «толстое лицо». В древнерусском языке слово «лик» означало не только лицо, но и образ, внешний облик. Прозвище Толстолик давали человеку с полным, широким, мясистым лицом. Это не обязательно было оскорблением — в крестьянской среде полнота нередко ассоциировалась со здоровьем, достатком и сытостью, в отличие от худобы, которая говорила о болезни или бедности.

По модели образования фамилия стоит в одном ряду с такими же «описательными» фамилиями, как Кривонос, Белозуб, Одноруков. Однако суффикс -ик в конце — редкий для этой модели. Обычно такие прозвища либо оставляли без изменений (Толстолик), либо превращали в фамилию с суффиксом -ов (Толстоликов). Вариант без суффикса встречается реже и может указывать на южнорусское или украинское происхождение: в украинской ономастике фамилии на -ик (Ковалик, Шевчик) распространены шире, чем в великорусских говорах.

В письменных источниках фамилия не фиксируется вплоть до XIX века. В ревизских сказках Российской империи носители Толстолик встречаются в основном среди государственных крестьян южных губерний — Курской, Харьковской, Полтавской. Это подтверждает версию о её происхождении в среде малороссийского крестьянства, где прозвища по внешности давали без обиняков.

Есть и другая, менее вероятная версия: связь с диалектным словом «толстолик» в значении «растолстевший, ленивый человек». Однако подтверждений такому значению в словарях русских говоров нет, а основная гипотеза — прозвище по лицу — остаётся наиболее простой и правдоподобной.