Фамилия Товстолуг — редкий случай, когда прозвище, лёгшее в основу, почти не требует расшифровки. Это сложение двух древнерусских корней: «товст» (полногласная форма от «толст») и «луг». Первая часть указывает на физическую особенность или, в переносном смысле, на зажиточность и основательность. Вторая — на место жительства или род занятий: луг, пойма, сенокосное угодье. Таким образом, Товстолуг — человек, живший на тучном, богатом лугу, либо владелец такого луга, либо, что вероятнее, обладатель прозвища по контрасту: «толстый» и «луг» могли соединиться в ироничное именование.

Словообразовательная модель здесь архаична. Фамилия образована напрямую от прозвища без патронимического суффикса (-ов, -ин, -ский). Это так называемая «чистая» фамилия, застывшая форма именительного падежа. В русской ономастике такие фамилии (Сорока, Шевченко, Товстолуг) чаще всего встречаются на Украине и в южнорусских землях, где традиция «бессуффиксных» фамилий была особенно сильна. Географически Товстолуг следует искать в первую очередь в чернозёмной полосе — на Слобожанщине, Полтавщине, в Курской и Воронежской областях, где луговые угодья составляли основу хозяйства.

Бросается в глаза необычное написание через «о» — Товстолуг, а не Толстолуг. Эта особенность — верный диалектный маркер. В ряде южнорусских и украинских говоров «о» в начале слова перед «л» переходило в «і» (кінь, віл), но в корне «толст» наоборот, могло сохраняться древнее «о» или даже усиливаться под влиянием аканья. Однако в фамилии закрепилась форма «товст-», которая для северного уха звучит как украинизм, а для южного — как нормальное произношение. Иными словами, написание фамилии прямо указывает на регион её формирования.

В отличие от фамилий на -ский или -ич, Товстолуг не несёт информации о дворянском происхождении. В реестрах запорожских казаков и в метрических книгах сёл Черниговской и Полтавской губерний такие прозвища фиксировались у крестьян и казаков. Прозвище могло закрепиться за целым родом, который обитал на одном «товстом» лугу — плодородном, дающем хороший сенокос. Со временем, когда прозвище стало фамилией, связь с конкретным географическим объектом утратилась, но память о нём осталась в корне.

Сравнение с однокоренными фамилиями (Толстолуцкий, Толстолыткин, Толстопятов) показывает, что Товстолуг — один из немногих примеров, где в основе лежит именно ландшафтный объект, а не часть тела или предмет быта. Это делает фамилию не столько описательной (как Толстопалый), сколько топографической: она не говорит, каким был человек, а говорит, где он жил.