Фамилия Тымцев — редкая и неочевидная с точки зрения происхождения. Её основа, корень «тымц-», не встречается в списке распространённых древнерусских имён или прозвищ, поэтому разбирать её нужно через словообразовательную модель и географию.

Суффикс -ев указывает на притяжательное значение: Тымцев — буквально «сын Тымца» или «человек из рода Тымца». Само имя или прозвище Тымец могло образоваться двумя путями. Первый — от диалектного слова «тым» или «тыма», которое в некоторых говорах означало «тьма», «мрак» или «туман». Тогда Тымец — человек угрюмый, необщительный, либо тот, кто живёт в глухом, тёмном месте. Второй, более вероятный вариант — топонимический. На Русском Севере и в Сибири есть реки Тым (приток Оби в Томской области и приток Енисея в Красноярском крае). Жителя по берегам этих рек могли называть тымцем — «человек с Тыма». Фамилия Тымцев могла закрепиться за переселенцами, которые ушли с этих мест и получили прозвище по прежнему месту жительства.

Сравнение с однокоренными фамилиями — Тымов, Тымыч, Тымчук — показывает, что форма на -цев встречается реже других. Это говорит о том, что фамилия могла сформироваться в среде, где был активен суффикс -ец (например, в северных или сибирских говорах), а затем к нему добавили стандартный русский патронимический суффикс -ев. Носители фамилии Тымцев, скорее всего, происходят из крестьян или казаков Сибири, где река Тым была известным местом расселения. Точных данных о сословной принадлежности нет, но география корня указывает именно на этот регион.

В написании фамилия устойчива: вариант «Тымцов» встречается крайне редко и, вероятно, является ошибкой писаря. Ударение, по аналогии с другими фамилиями на -цев, ставится на первый слог: Тымцев.