Фамилия Верхолётовы происходит от прозвища Верхолёт, которое образовано сложением двух основ: «верх» и «летать». В отличие от многих фамилий на -ов, где суффикс просто указывает на принадлежность («чей?»), здесь основа сама по себе — сложное слово, что сразу выделяет её среди однокоренных.

Верхолётом в старину называли человека по роду его опасной работы: того, кто трудился на высоте. Это могли быть строители, кровельщики или мастера, ремонтировавшие купола церквей и высокие башни. Версия о профессии лётчика — анахронизм: самолётов в те времена не было, а вот работа на колокольне или строительных лесах была делом обычным. В словарях русских говоров слово «верхолёт» встречается в значении «верховой» или «тот, кто ходит по верхам», но в переносном смысле так могли назвать и ветреного, неосмотрительного человека — того, кто «летает в облаках» и не думает о последствиях.

Фамилия закрепилась в форме Верхолётов, то есть «сын Верхолёта». Суффикс -ов указывает на русскую модель образования от прозвищ, оканчивающихся на твёрдый согласный. Интересно, что в некоторых регионах встречается вариант Верхолётовых — с окончанием -ых, типичным для северных и сибирских говоров, но основная форма осталась стандартной для центральной России.

Точное время появления фамилии назвать сложно — прозвище могло возникнуть в любой среде, от посадских людей до крестьян. В архивных записях XVIII–XIX веков Верхолётовы встречаются в основном в Поволжье и на Урале, что косвенно подтверждает связь с ремёслами, требовавшими работы на высоте: строительством, лесосплавом или даже колокольным делом. Окончательный вывод о едином очаге происхождения сделать нельзя — фамилия могла возникнуть независимо в разных местах, там, где было кому дать такое прозвище.