Фамилия Тотымачева — редкий случай, когда в основе лежит не имя и не профессия, а, скорее всего, топоним (название места) или очень специфическое прозвище. Если отбросить суффикс -ев (указывающий на принадлежность: «чей?» — Тотымачев, Тотымачева), то перед нами корень «Тотьм-» или «Тотыма». Самое прямое напрашивающееся объяснение — связь с городом Тотьма в Вологодской области. Житель Тотьмы в старину назывался «тотьмич» или «тотьмак», но в разговорной речи, с аканьем, форма «Тотыма» вполне могла закрепиться как прозвище пришлого человека.

Вторая, более сложная версия — от диалектного слова «тотьма» или «тотьмить». В северных говорах «тотьмой» могли называть что-то сырое, топкое, болотистое, либо, по другим данным, «тотьмить» означало «бормотать, говорить невнятно». В таком случае прозвище Тотыма (человек с невнятной речью или, наоборот, житель сырой низины) давало фамилию детям.

Обратите внимание на суффикс -ев, а не -ин. Если бы основа оканчивалась на -а (Тотыма), по правилам русского языка фамилия должна была бы быть Тотымин. Наличие -ев говорит о том, что в основе могла лежать форма на согласный: Тотымач или Тотымак. То есть первоначально прозвище звучало как Тотымач (например, «сын Тотымача»), и уже от него образовалась фамилия. Это делает версию с «тотьмаком» (жителем Тотьмы) более лингвистически стройной: «тотьмак» → «Тотымаков» → при стяжении или диалектном произношении «Тотымачев». Встречаются и варианты написания через «а» — Татымачева, что подтверждает акающий говор (произношение «о» как «а») в местах бытования фамилии.

Географически фамилия тяготеет к северу и северо-востоку Европейской России: Вологодская, Архангельская области, а также Пермский край. Фамилия малопопулярна, и её носители, скорее всего, происходят из крестьянской или мещанской среды, что типично для прозвищных фамилий, не связанных со знатными родами.