Фамилия Варфоломеева образована от канонического мужского имени Варфоломей. В переводе с греческого оно означает «сын вспаханной земли» или «сын полей», что отсылает к арамейскому имени Вар-Толомай — «сын Толомая» (Толомай — вариант имени Птолемей). В русской традиции имя закрепилось благодаря одному из двенадцати апостолов — Варфоломею (Нафанаилу), поэтому фамилия встречается в среде духовенства и крестьянства, а не только среди знати. Скорее всего, основатель рода Варфоломеевых был человеком, которого в крещении нарекли Варфоломеем, — имя давали по святцам, независимо от сословия.

Фамилия построена по стандартной модели: основа Варфоломе- + суффикс -ев- (вариант -ов после мягкого согласного) и окончание -а. Суффикс -ев указывает на принадлежность: Варфоломеева — «дочь или жена Варфоломея». Такая форма характерна для женского варианта фамилии, но в бытовом употреблении часто закрепляется за всей семьёй. Мужской вариант — Варфоломеев.

Интересная деталь: в старых документах фамилию могли писать через «о» — Варфоломеов, особенно в XVI–XVII веках, когда суффикс -ов- был универсальнее. Встречаются и варианты с ударением на второй слог: Варфолóмеев, хотя норма — Варфоломéев. В географическом плане фамилия чаще всего фиксируется в центральных и северных губерниях России, а также в Поволжье, где имя Варфоломей было популярно среди старообрядцев.

Сравните с однокоренными фамилиями: Варфоломеев, Варфоломеевский (с суффиксом -ский, указывающим на дворянское или семинарское происхождение), а также редкие Варфоломейцев и Варфоломейкин. Все они восходят к одному имени, но различаются по модели образования: -ев и -ов — самые массовые, -ский — элитарный, -цев и -кин — диалектные или уменьшительные.