Фамилия Томленова — женская форма, а мужская, Томленов, образована по простой и распространённой модели: к основе Томлен- добавили типичный русский фамильный суффикс -ов. Сама основа — скорее всего, прозвище Томленый. В русских говорах «томленый» значило «изнурённый, истомлённый, уставший до изнеможения», а иногда — «томящийся в неволе или в тоске». Прозвище могли дать человеку медлительному, задумчивому, склонному к грусти или, наоборот, тому, кто постоянно жаловался на усталость.

Менее вероятная, но возможная версия — связь с глаголом «томить» в ремесленном значении. В металлургии и кузнечном деле «томить» означало длительно нагревать металл для придания ему нужных свойств. Мастера, занимавшегося такой обработкой, могли в шутку или по делу прозвать Томленым. Однако прозвища от глагольных форм с суффиксом -ен- в русской ономастике встречаются реже, чем прямые описания характера.

Скорее всего, фамилия возникла в среде крестьян или посадских людей, где прозвища по внешним или внутренним качествам давали особенно часто. Суффикс -ов указывает на принадлежность: сын Томленого, то есть потомок человека с таким прозвищем. В документах фамилия могла писаться и через «а» — Томленова, и через «о» — Томленов, но ударение, судя по произносительной традиции, падает на первый слог: То́мленов.

Географически фамилия редкая, встречается в основном в центральных и южных областях России, где были распространены говоры с глаголом «томить» и его производными. По сословной принадлежности предки Томленовых — скорее всего, государственные или помещичьи крестьяне, реже — однодворцы. Дворянских родов с такой фамилией не зафиксировано.

По сравнению с однокоренными фамилиями — Томилов, Томин, Томский — Томленов стоит особняком: у него не имя-основа, а именно прозвище с яркой эмоциональной окраской. Если Томилов мог произойти от имени Томило (ласкательное от Тома, Фома), то Томленов — это прямое описание человека, его состояния или занятия.