Фамилия Толстыкин образована по одной из самых распространённых в русской ономастике моделей: от прозвища или прилагательного с помощью суффикса -ин. Суффикс -ин в русских фамилиях указывает на принадлежность: Толстыкин буквально означает «сын Толстыки» или «человек из семьи Толстыки». Сама основа — «толстый» — в древнерусском языке имела не только прямое значение «полный, упитанный», но и переносные: «богатый, зажиточный» (толстый кошель), «крепкий, здоровый», а иногда и «упрямый, неповоротливый». Вряд ли прозвище Толстыка давали только за внешность — скорее, оно могло характеризовать человека состоятельного или обладающего внушительной силой.

Интересно, что фамилия Толстыкин — редкий вариант на фоне более частых Толстов, Толстунов, Толстых. Суффикс -ин здесь присоединился к основе не напрямую (как в Толстов), а через промежуточную форму — Толстыка. Такая модель характерна для северных и центральных регионов России, где прозвища с окончанием -ыка были в ходу (ср. Малыхин, Косыхин). Это значит, что предок носителя фамилии, скорее всего, жил в одной из областей, где говорили «толстыка» вместо «толстяк».

Ономастический словарь Б. Унбегауна не выделяет Толстыкина в отдельную статью, но типичные фамилии на -ин от прозвищ он относит к древнейшему пласту, возникшему ещё в XV–XVI веках. В данном случае фамилия могла оформиться в среде крестьян или посадских людей: в дворянской среде такие «прямые» прозвища встречались реже, там предпочитали более книжные формы. В современной России Толстыкины — редкость, что подтверждает локальное происхождение: фамилия не разошлась широко, а осталась в пределах одного уезда или даже села.

Если копнуть глубже, у фамилии есть и шуточный оттенок: в народной речи «толстыка» могло означать не просто толстого, а того, кто много ест или ленив. Но в контексте фамилии, закреплённой официально, скорее всего, имелось в виду нейтральное описание внешности или достатка. Альтернативная версия — связь с диалектным словом «толстык» (вид гриба или растения) — маловероятна, так как такая основа не дала бы суффикса -ин.