Фамилия Тонцев — редкий пример, когда прозвище, лёгшее в основу, со временем почти исчезло из живого языка, а производная от него фамилия осталась. В её корне лежит прилагательное «то́нкий» в старом значении — не столько про толщину, сколько про худобу или даже хрупкость. Прозвище Тонец могли дать очень худому, щуплому человеку. Это не оскорбление, а бытовая характеристика, как Косой, Рябой или Молчун.

Модель образования проста: основа Тонец- плюс типичный русский фамильный суффикс -ев. Суффикс -ец здесь выполняет роль уменьшительного или прозвищного форманта: Тонкий → Тонец («тощенький», «худышка»). Такая цепочка — от прилагательного к прозвищу на -ец, а затем к фамилии на -ев — встречается нечасто. Сравните с фамилиями Умнов (от Умной), Доброхотов (от Доброхот), но в случае с Тонцевым прозвищная стадия сохранилась в чистом виде, без дополнительных суффиксов.

Версия о связи с географическим названием (например, река Тонца или село Тонцы) маловероятна: таких топонимов в основных русских регионах не зафиксировано. Если бы фамилия происходила от названия места, она скорее звучала бы как Тонцкий или Тонцов.

Фамилия Тонцев — редкая. Она встречается в основном в центральных и южных областях России, изредка на Урале, но нигде не образует плотных гнёзд. Это говорит о том, что она не принадлежала какому-то крупному роду или сословию — её носителями были крестьяне или мещане, получившие фамилию при переписях по прозвищу главы семьи. В дореволюционных списках она почти не мелькает, что тоже указывает на её локальный и недворянский характер.

Однокоренные фамилии — Тонков, Тонких, Тонкий — образованы от того же корня, но по другим моделям. Тонцев стоит среди них особняком благодаря суффиксу -ец, который придаёт фамилии оттенок ласкательности или уменьшительности: предок был не просто тонким, а «тоненьким», что и закрепилось в родовом имени.