Фамилия Толстых напрямую связана с прозвищем Толстой, которое в древнерусском языке звучало иначе, чем современное прилагательное. Ударение в нём падало не на корень, а на окончание — «толстОй». Эта старая форма сохранилась в фамилии как память о том, как говорили несколько веков назад. Важно, что прозвище не несло насмешки: полнота в те времена считалась признаком здоровья, достатка и физической силы, поэтому такое имя могли дать с уважением.

Сама фамилия образована по модели, типичной для северных и сибирских регионов России. Форма Толстых — это родительный падеж множественного числа, который в разговорной речи отвечал на вопрос «чей?» — «из рода Толстых». Такой тип фамилий с окончанием -их/-ых историки ономастики связывают с территорией Русского Севера, Урала и Сибири, где эта модель была особенно распространена. Позже она закрепилась и в других областях.

В исторических документах, собранных С. Б. Веселовским, встречаются ранние упоминания прозвища: Иван Григорьевич Толстой, начало XVI века, Новгород; Михаил Васильевич Толстой-Годунов, середина XVI века; Федор Федорович Толстой, нижегородский немчин, 1608 год. Эти записи показывают, что прозвище бытовало в разных слоях общества — от служилых людей до иноземцев на русской службе, а значит, не было привязано к одному сословию.

Не стоит путать фамилию Толстых со знаменитой графской фамилией Толстые. Последняя имеет ту же основу, но образована по другой модели — через окончание -ые, что характерно для центральной России. Толстых же — вариант, который чаще встречается в документах крестьянского и мещанского происхождения, особенно на Урале и в Сибири, куда переселенцы приносили свои фамильные прозвища.

Таким образом, носитель фамилии Толстых может считать своим предком человека крепкого телосложения, которого в округе называли Толстым. Со временем это прозвище закрепилось за его детьми и внуками, а затем превратилось в фамилию, сохранившую архаичное ударение и северорусскую форму.