Фамилия Толстошеин происходит от прозвища Толстошея, которое указывало на внешность человека — обладателя мощной, толстой шеи. В старину такие двусоставные прозвища с корнем «толст-» были в ходу: они метко описывали человека и быстро закреплялись за ним в качестве обиходного именования. Позже потомки Толстошеи получили фамилию по отцу — так и появились Толстошеины.

Судя по сохранившимся документам, прозвище не было редкостью. В трудах С. Б. Веселовского упоминаются крестьянин Афанасий Толстошея (1596 год, Арзамас) и помещик Федор Толстошеин (1614 год, Углич). Эти записи показывают, что уже в начале XVII века фамилия бытовала в разных регионах — от северных земель до центральных уездов. Рядом встречаются и другие «толстые» прозвища: крестьянин Толстоух (1495 год, Новгород), крестьянин Толстопят (1545 год, Новгород), крестьянин Сергей Толстопятый (1627 год, Белев), а также крестьянин Толстые Пальцы (1540 год, Новгород). Такая россыпь однокоренных именований говорит о том, что модель была живой и естественной для своего времени.

Суффикс -ин в фамилии указывает на притяжательное значение: Толстошеин — это «сын Толстошеи», то есть принадлежащий роду человека с таким прозвищем. Это типичный для русских фамилий способ образования, при котором в основу ложится имя или прозвище отца без дополнительных изменений. Сама основа «толстая шея» — не оскорбление, а скорее констатация физической крепости: в крестьянской среде сильная шея считалась признаком здоровья и выносливости, а не недостатком.

Интересно, что фамилия сохранила архаичное полногласие и не редуцировалась в более короткую форму. Встречаются варианты написания с одной «с» — Толошеин, но они редки и, вероятно, возникли из-за ошибок писарей. Основная форма Толстошеин устойчиво держится в документах с XVII века.

Точное место и время возникновения фамилии для каждой отдельной ветви назвать сложно: процесс формирования шёл постепенно и не был привязан к одной местности. Окончательные выводы о происхождении конкретного рода требуют серьёзных генеаленических изысканий, но сама фамилия — яркий образец того, как меткое народное прозвище пережило столетия и стало семейным знаком.