Фамилия Томильчик в основе своей имеет старинное русское нецерковное имя Томило, которое в XV–XVI веках было одним из самых ходовых на Руси. Имя это происходит от глагола «томити» — «томить, мучить, изнурять, истощать». Скорее всего, так нарекали младенца, появившегося на свет в трудных родах: имя должно было отразить тяготы матери, а не пожелание зла ребенку. Та же логика прослеживается в имени Истома, от которого пошла фамилия Истомин. Менее вероятно, что Томилой называли капризного и беспокойного малыша, хотя и такая версия имеет право на существование.

Исторические документы сохранили несколько живых примеров бытования этого имени. С. Б. Веселовский упоминает крестьянина Багряного Томилу (1627 год) и крестьянина Петра Томилу (1629 год). Известен также Томила Истомин, который в середине XVII века служил дьяком большого Конюшенного приказа — должность немалая, требовавшая грамотности и доверия государя. Отдельная страница — сибирская: конный казак Игнат Томилов в 1670 году основал село Томилово на территории нынешнего Юргинского района Кемеровской области. Так имя, когда-то данное при трудных родах, оставило след на географической карте.

Теперь о том, что отличает именно Томильчика от более привычных Томиловых и Томилиных. Характерный суффикс -чик указывает на белорусское или украинское происхождение фамилии. В этих языках суффикс -чик часто выполнял уменьшительно-ласкательную функцию, но в фамилиях он закреплялся и как указание на родство: Томильчик — это, по сути, «сын Томилы» или «потомок Томилы». В русской же традиции ту же роль играли суффиксы -ов и -ин, поэтому форма с -чик выдает западные корни рода, хотя основа у фамилии общая с северо-восточными русскими землями.

Если сравнивать с однокоренными фамилиями, то Томилов и Томилин встречаются повсеместно в России, а Томильчик — редкая, локальная форма, которая сохранила более архаичный и диалектный оттенок. Такое написание могло закрепиться в документах при переезде предков из белорусских или украинских губерний в центральную Россию или Сибирь, где фамилия и получила свое окончательное обличие.