Фамилия Толымбеков — пример тюркской модели образования, где к основе, восходящей к личному имени, добавили русский патронимический суффикс -ов. В самом имени «Толымбек» угадываются два компонента: «толым» и «бек». Первая часть, «толым», скорее всего, происходит от тюркского слова, означающего «полнота», «достаток», «совершенство» (ср. в казахском «толым» — полнота, завершенность). Вторая часть, «бек» (или «бий»), в тюркских языках обозначает князя, господина, предводителя. Таким образом, имя Толымбек можно перевести как «полноценный (совершенный) господин» или «обладающий достатком правитель».

По своему типу фамилия Толымбеков характерна для народов, входивших в состав Российской империи, где русские окончания фамилий (-ов, -ев, -ин) накладывались на местные имена. В данном случае суффикс -ов указывает на принадлежность к роду: «сын Толымбека» или «из семьи Толымбека». Это одна из самых распространенных моделей русификации нерусских фамилий.

Географически фамилия Толымбеков наиболее вероятна у казахов, киргизов или других тюркских народов Центральной Азии. Встречается она и у представителей народов Кавказа, где также распространены имена с компонентом «бек». В отличие от, скажем, фамилий на -ский или -их, которые часто указывают на место жительства, Толымбеков — чисто патронимическая фамилия, прямо говорящая об имени основателя рода.

В ономастических трудах, таких как работы Б. Унбегауна, отмечается, что фамилии на -ов от тюркских имен составляют огромный пласт в русском ономастиконе, но Толымбеков стоит несколько особняком из-за редкой основы «толым». В отличие от более частых «бековых» фамилий (Абдулбеков, Алибеков, Узбеков), где первая часть — арабское или тюркское имя, здесь корень «толым» встречается реже, что делает фамилию локально специфичной.

Социальный контекст: носитель такого имени в прошлом, скорее всего, принадлежал к состоятельной или знатной среде, поскольку «бек» — титул, указывающий на высокое положение. Однако с течением времени фамилия утратила сословную окраску и стала просто родовым именем. Никаких дополнительных сведений о массовом распространении или известных исторических носителях фамилии Толымбеков в открытых источниках нет, что неудивительно для относительно редкой фамилии.