Фамилия Туполев образована от мирского имени Туполь, которое в некоторых говорах обозначало тополь. Это дерево с листьями разной формы и цветками в виде свисающих цилиндрических стержней. Имя Туполь давали младенцу, чтобы природа воспринимала его как своего, а к ребенку перешли бы полезные качества, которыми наделен тополь. Верхняя и нижняя стороны листьев тополя имеют разный цвет, поэтому дерево символизирует двойственную природу — свет и тьму, жизнь и смерть. Потомок человека по имени Туполь со временем получил фамилию Туполев.

Словообразовательная модель проста: к основе Туполь добавили патронимический суффикс -ев, который указывает на «сына Туполя». Такой тип фамилий массово складывался в XV–XVII веках, когда мирские имена постепенно вытеснялись календарными, но не исчезали бесследно — они закреплялись в родовых прозваниях. Редкость основы делает фамилию заметной на фоне более частых образований от канонических имен: Туполевых значительно меньше, чем, скажем, Ивановых или Петровых.

Впрочем, возможна и вторая версия происхождения, менее популярная, но не лишенная оснований. В северных и сибирских говорах глагол «тупить» имел значение «медлить, задерживаться», а прозвище Туполь могло закрепиться за неторопливым или упрямым человеком. Однако эта гипотеза слабее: связь с деревом выглядит естественнее, поскольку имена-обереги от растений в дохристианской традиции встречались повсеместно.

Известным носителем фамилии стал Андрей Николаевич Туполев (1888–1972) — советский авиаконструктор, академик АН СССР, генерал-полковник-инженер, трижды Герой Социалистического Труда. Благодаря ему фамилия прочно ассоциируется с авиастроением, хотя сами Туполевы, судя по архивным данным, происходили из тверских и владимирских крестьянских семей, где имя Туполь бытовало задолго до появления самолетов.