Фамилия Толстыка — довольно редкая и необычная по своей модели. В отличие от подавляющего большинства русских фамилий, оканчивающихся на -ов, -ин или -ский, она застыла в форме родительного падежа единственного числа. Это указывает на её происхождение в среде, где фамилии только начинали закрепляться, и зачастую выдаёт украинские, белорусские или южнорусские корни. Человек, носивший такую фамилию изначально, воспринимался как «сын Толстыки» или «человек из семьи Толстыки».

Основа фамилии — прозвище Толстыка. В русских говорах и украинском языке слово «товстика» могло относиться к полному, упитанному человеку. Однако, в отличие от более распространённого прилагательного «толстый», форма с суффиксом -ык-/-ик- часто несла иной оттенок. Она могла обозначать не просто физическую полноту, а, например, человека с большим животом (пузатого) или того, кого в шутку дразнили за медлительность и неповоротливость. В некоторых диалектах «толстыка» — это ещё и название определённого вида грибов или растения, но для фамилии больше вероятна именно антропонимическая версия.

Сравнение с однокоренными фамилиями помогает понять редкость формы. Если Толстов, Толстухин или Толстяков — это типичные «отцовские» фамилии с суффиксами принадлежности, то Толстыка стоит особняком. Она ближе к таким фамилиям, как Шевченко, Ковальчук или Бондарь, но не по суффиксу, а по способу бытования: прозвище стало фамилией почти без изменений, лишь с добавлением окончания, указывающего на отношение. Это говорит о том, что предок носителя фамилии был известен именно под этим прозвищем, и оно закрепилось за его потомками в форме, характерной для устной речи.

Географически фамилия Толстыка встречается разрозненно, но с явным тяготением к западным и южным регионам бывшей Российской империи: современная Украина, Беларусь, а также южнорусские области (Курская, Воронежская). В документах XIX века такую фамилию могли записать по-разному: Толстыка, Толстика, Толстока, что отражает местные особенности произношения. В сословном плане носители, скорее всего, относились к казачеству, крестьянству или мещанству — в дворянской среде подобные «прозвищные» фамилии без патронимического суффикса практически не встречались.