Фамилия Тухтамова образована от мужского имени Тухтам, а оно, в свою очередь, — от тюркского слова «тухтам». В большинстве тюркских языков (татарском, башкирском, казахском) «тухта» означает «стой», «остановись», а аффикс -м придаёт значение приказания или пожелания. Таким образом, имя Тухтам можно перевести как «остановись» или «будь стойким». В прошлом такие имена-обереги давали младенцам, чтобы уберечь их от сглаза или ранней смерти: считалось, что имя-пожелание «привяжет» ребёнка к жизни, заставит его «остановиться» и остаться в этом мире.

Суффикс -ов в русской версии фамилии указывает на принадлежность: Тухтамова — дочь или жена Тухтама. По модели образования это типичная русская фамилия, но основа у неё тюркская, что сразу говорит о происхождении рода из татаро-башкирской, казахской или другой тюркоязычной среды. Встречается фамилия преимущественно в Поволжье, особенно в Татарстане и Башкортостане, а также среди казанских татар, расселившихся по другим регионам.

Интересно, что однокоренные фамилии (Тухтаев, Тухтаров) имеют ту же основу, но разные суффиксы, что указывает на разные диалектные или региональные варианты оформления одного и того же прозвища. Встречается и написание Тухтамава — это результат аканья, когда безударное «о» перешло в «а» на письме, что характерно для южнорусских или некоторых татарских говоров.

Сословно предки Тухтамовых могли быть как крестьянами, так и служилыми людьми: тюркские имена нередко носили татарские мурзы и мелкие дворяне, перешедшие на русскую службу. Но однозначно утверждать это по фамилии нельзя — в народной среде такие имена тоже бытовали.