Фамилия Томилкин образована от имени или прозвища Томилка. Словообразовательная модель здесь классическая для русских фамилий: суффикс -ин указывает на принадлежность — «чей сын?» — «Томилкин». Основа Томилк- — это уменьшительно-ласкательная форма от крестильного имени Томила, которое, в свою очередь, является народным вариантом канонического имени Фома. В православных святцах Фома (от арамейского «близнец») дал много производных форм: Фомка, Фомушка, а в русской бытовой традиции — Томила, Томилка. Звуковая замена начального «Ф» на «Т» характерна для народной речи: так же появились Тадей (вместо Фаддей) и Текла (вместо Фёкла). Таким образом, Томилкин означает «потомок Томилки», то есть человека, которого в обиходе звали Томилой (ласково от Фомы).

Вторая, менее вероятная, версия связывает фамилию с нецерковным прозвищем Томила, которое могло происходить от глагола «томить» — утомлять, мучить. Так могли назвать медлительного, вялого человека или того, кто сам «томился» в работе. Но в ономастике более убедительной считается связь с крестильным именем, поскольку прозвища от глагола «томить» встречаются реже, а имя Томила (Фома) было широко распространено.

Фамилия Томилкин — относительно редкая. Она не попала в число массовых помещичьих или крестьянских фамилий центральных губерний, поэтому её носители чаще всего встречаются в Поволжье, на Урале и в Сибири — в регионах позднего заселения, куда переселенцы приносили свои фамильные гнёзда. В документах XVII–XVIII веков можно найти крестьян и посадских людей с именем Томилка, но сама фамилия в письменных источниках фиксируется не ранее XVIII столетия, когда окончательно закрепилась модель «имя + -ин».

Сравнение с однокоренными фамилиями — Томилов, Томилин, Томиловский — показывает, что Томилкин стоит особняком: суффикс -к- в основе (Томилк-) указывает на более просторечную, деревенскую форму имени, в отличие от литературного Томила. Это не делает фамилию «проще» по значению, но подсказывает, что предок носителя был человеком из среды, где уменьшительные имена были нормой общения, а не официальным документом.