Фамилия Твердхлебовы — это фонетический вариант более распространенной фамилии Твердохлебовы, и разница между ними только в произношении и написании: безударная гласная «о» в корне со временем редуцировалась, и фамилию стали записывать так, как слышали. В основе обеих фамилий лежит прозвище Твердохлеб, которое образовано сложением двух слов: «твёрдый» и «хлеб».

Смысл прозвища неоднозначен, и тут открывается простор для двух противоположных версий. С одной стороны, хлеб на Руси всегда был символом достатка и благополучия, поэтому «твердым хлебом» могли называть человека зажиточного, у которого в доме всегда был прочный, надежный запас зерна и муки. С другой стороны, более житейское объяснение: твердым, то есть чёрствым, хлебом вынужден был питаться бедняк, у которого не было возможности печь свежий. Какая из версий верна для конкретного предка, теперь сказать трудно — прозвище могло отражать и ироничный взгляд соседей, и уважение к хозяйственности.

Некоторые исследователи связывают возникновение прозвища Твердохлеб с украинскими землями, где подобные двухосновные именования были особенно распространены. Первые документальные упоминания об однокоренных именованиях встречаются в источниках, датируемых 1640 годом. Сама же фамилия Твердхлебов, как и её полная форма, формировалась постепенно, на протяжении длительного времени, поэтому говорить о точной дате и месте её появления сложно. Но в любом случае, за этой фамилией стоит живая история прозвища, которое когда-то метко охарактеризовало своего первого носителя.