Фамилия Тоштемиров — редкий пример фамилии, образованной от составного тюркского имени. Её основа — мужское имя Тоштемир, которое состоит из двух частей: «тош» (в тюркских языках — «камень», «скала», реже «грудь») и «темир» («железо»). В сумме имя означает «каменное железо» или «крепкий, как камень и железо» — типичный для кочевых народов оберег-пожелание мальчику несокрушимой силы и твёрдости характера. Такие имена с компонентом «темир» (Темир, Темирхан, Темирбулат) широко распространены у татар, башкир, казахов, узбеков и других тюркоязычных народов.

Суффикс -ов указывает на русскую модель оформления фамилий: в XIX–XX веках, при переписях и паспортизации, тюркские имена и прозвища часто русифицировали, добавляя стандартные окончания. Тоштемиров буквально значит «сын Тоштемира» или «из рода Тоштемира». В отличие от фамилий на -ин, которые чаще образовывали от основ на -а/-я, здесь сработала более универсальная модель с суффиксом -ов, характерная для большинства фамилий нерусского происхождения в Российской империи.

Географически фамилия тяготеет к регионам, где смешивались тюркское и славянское население: Поволжье (особенно Татарстан и Башкортостан), Урал, Оренбуржье, а также Казахстан. Встречается и у узбеков, но там чаще сохраняют исходную форму Тоштемиров без русификации. Поскольку имя Тоштемир не было широко распространено (в отличие от просто Темир), носителей фамилии немного — это скорее штучная, локальная фамилия, возможно, восходящая к одному конкретному роду или селению.

Версия о происхождении от прозвища Тоштемир («тош» в значении «камень» + «темир» как «железо») маловероятна: сложные прозвища с двумя корнями-символами редко встречаются в русской среде, зато типичны для тюркской антропонимики. Поэтому наиболее правдоподобно, что предок носителя фамилии был человеком с именем Тоштемир, и при записи в церковную или административную книгу его записали по отчеству — Тоштемиров. Сословно это могли быть и крестьяне, и казаки, и мелкие служилые люди из татарских мурз или башкирских вотчинников, но точных сведений без архивных изысканий по конкретной линии нет.