Фамилия Верхотурцев прямо указывает на географическое происхождение предка — он был уроженцем города Верхотурье или его окрестностей. Словообразовательная модель типична для русских фамилий: прозвище «Верхотурец» (житель Верхотурья) плюс патронимический суффикс -ев, который в данном случае означает «сын Верхотурца». То есть фамилия закрепилась за потомками человека, которого в документах или в быту называли по месту выхода.

Сам топоним Верхотурье составной и прозрачный: наречие «верх» указывает на положение города выше по течению реки Туры относительно Туринска, основанного почти одновременно. Город возник в 1598 году как острог при открытии Бабиновской дороги — нового сухопутного пути в Сибирь, который шёл к реке Туре. До второй половины XVIII века Верхотурье был ключевым транзитным пунктом в торговле между Европейской Россией и Сибирью, через него шли товары и люди. Позже, в конце XIX — начале XX века, город приобрёл значение крупного религиозного центра: в Никольском мужском монастыре (основан в 1604) покоились мощи святого Симеона Праведного, Верхотурского чудотворца, и сюда стекались паломники со всей страны.

Фамилия Верхотурцев — одна из группы «географических» фамилий, образованных от названий городов и местностей, но с редким суффиксом -ев при основе на -ец. Обычно такие фамилии оформлялись как Верхотурский или Верхотуров, а вариант на -цев встречается реже. Это может говорить о том, что прозвище Верхотурец бытовало в народной речи, а не в официальных переписях, где чаще писали «верхотурский» или просто «из Верхотурья». Сравните с фамилиями Тобольцев, Томинцев — они образованы по той же модели от названий сибирских городов.

Вероятно, предок носителя фамилии покинул Верхотурье в XVIII–XIX веках, когда город утратил торговое значение, и переселился в другие регионы Урала или Сибири. Точных данных о сословной принадлежности нет: Верхотурцевы могли быть как посадскими людьми, так и крестьянами или казаками, которых приписывали к уральским заводам.