Фамилия Толстяк — довольно редкий случай в русской ономастике. В отличие от подавляющего большинства русских фамилий, она не имеет типичного суффикса (-ов, -ин, -ский), а представляет собой чистую основу, то есть застывшее прозвище в именительном падеже. Такая модель образования характерна для украинской и белорусской традиции, а также для фамилий, возникших в среде казачества. Поэтому география фамилии Толстяк в первую очередь — южнорусские и малороссийские земли: Курская, Воронежская области, Кубань, а также Украина.

Основа фамилии прозрачна — слово «толстяк», то есть полный, упитанный человек. Прозвища по внешнему виду были одними из самых распространённых на Руси. Их давали не обязательно в насмешку — часто они служили простым и точным идентификатором в среде, где официальные фамилии ещё не закрепились. В документах XV–XVII веков встречаются имена и прозвища вроде Толстой, Толстый, Толстяк. Например, в Переяславской раде или в реестрах запорожских казаков могли фиксировать именно такую форму — без суффикса, как личное именование.

Сравнение с однокоренными фамилиями показывает разницу в социальном контексте. Фамилия Толстой стала дворянской и знаменитой благодаря графскому роду. Толстяков (с суффиксом -ов) — более массовая фамилия, типичная для крестьян и мещан центральной России. Толстяк же остался на периферии, в зоне влияния украинской антропонимики, где прозвища часто переходили в фамилии без изменений.

Версия о происхождении от мирского имени Толстяк (как охранительного, чтобы ребёнок не вырос худым) менее правдоподобна: прозвища по внешности редко давали как именные обереги, чаще они описывали реальную черту. Фамилия Толстяк — это прямое указание на комплекцию родоначальника, и ничего большего за ней не скрывается. В современных телефонных справочниках и базах данных она встречается единично, что подтверждает её локальный и нестандартный характер.