Фамилия Туолыу — редкий случай, когда написание почти целиком выдаёт её географическое и этническое происхождение. В ней нет ни одного типично русского суффикса (-ов, -ин, -ский), а финальное -ыу — это характерный показатель тюркских языков, особенно северо-восточной группы. Скорее всего, перед нами фамилия якутского происхождения, записанная по-русски.

В якутском языке (саха) звук, который на письме передаётся как «ы», — это гласный заднего ряда, твёрдый и короткий. Окончание -ыу встречается в якутских фамилиях, образованных от имён, прозвищ или названий мест. Основа «Туол» может восходить к якутскому слову «туол» — «полный», «наполненный», либо к глаголу «туолуу» — «наполнение», «исполнение» (например, желания). В таком случае фамилию могли дать человеку с прозвищем Туол — «Полный», «Сытой» или даже «Удачливый» (тот, чьи желания исполняются). Другой вариант: основа происходит от имени Туолай — в якутской антропонимике имена с таким корнем встречаются, хотя и не массово.

По модели образования фамилия Туолыу — это, по сути, застывшая форма имени или прозвища в исходном падеже. В отличие от русских фамилий, которые добавляют суффикс принадлежности («чей?» — Иванов), тюркские фамилии часто просто фиксируют само слово: Туолыу — это и есть «Туолыу» (человек по прозвищу или имени Туолыу). В документах XIX — начала XX века такие фамилии записывали при переписях со слов носителей, и русские писаря передавали якутское произношение буквами кириллицы, не переделывая на русский лад.

Носители фамилии Туолыу, скорее всего, живут в Республике Саха (Якутия) или среди якутской диаспоры. Это не фамилия дворянского рода и не крестьянская фамилия центральной России — она отражает локальную традицию именования, где прозвище или личное имя становилось родовым без дополнительных суффиксов. Встречается ли она за пределами Якутии — вопрос открытый, но по составу звуков и окончанию её легко опознать как северо-восточную тюркскую.