Фамилия Толстюк чаще всего встречается на Украине, и ее происхождение напрямую связано с прозвищем Толстый. В основе лежит прилагательное со значением «объемистый, полный», которое, скорее всего, отражало внешность человека — так могли назвать дородного, тучного мужчину. Однако у прозвища мог быть и второй смысл: в некоторых говорах «толстый» означало «богатый», «состоятельный», поэтому прозвище Толстой иногда указывало на социальный статус и зажиточность носителя.

Прозвище закреплялось за потомками и домочадцами, а на украинской почве оформлялось с помощью характерных суффиксов: -ук/-юк, -енко, -ко, -ец. Форма Толстюк — результат именно такой модели: суффикс -юк указывает на «сына Толстого» или человека из рода Толстых. Подобные фамилии были особенно типичны для Подолья и западных регионов Украины, где прозвищные фамилии с этим суффиксом встречались повсеместно.

Документальные следы фамилии уводят в Каменец-Подольскую губернию. В Книге памяти Омской области записан украинец Григорий Калиникович Толстюк, родившийся в 1903 году в селе Гута Березовского уезда. В Книге памяти Иркутской области есть сведения о Петре Захаровиче Толстюке (1900 года рождения) из села Хоровец того же Березовского уезда. Оба упоминания показывают, что к началу XX века фамилия уже прочно бытовала в крестьянской среде Подолья, а позже вместе с переселенцами распространилась по Сибири и Дальнему Востоку.

Интересно, что фамилия сохранила украинское окончание, не русифицировавшись в форму Толстов или Толстой. Это говорит о том, что в среде носителей долго держалась украинская традиция именования, и фамилия воспринималась как естественный родовой знак, а не как административное нововведение.