Фамилия Вертохвостов ведет происхождение от прозвища Вертохвост. Оно составлено из двух частей: «вертеть» и «хвост», но смысл его не буквальный. В русских говорах Вертохвостом называли не того, кто машет хвостом, а человека ветреного, непостоянного, щеголя, любителя гулянок и увеселений. Такое прозвище могли дать вертопраху или тому, кто слишком много времени проводил в погоне за развлечениями.

Словообразовательная модель типична для русских фамилий: к основе прозвища прибавили патронимический суффикс -ов, что буквально означает «сын Вертохвоста». Фамилия закрепилась в тех регионах, где бытовало само прозвище, — преимущественно в центральных и южных губерниях России. Встречаются однокоренные фамилии, например Вертохвосткин, хотя они редки.

В ономастических источниках фамилия Вертохвостов не получила широкого освещения, но ее прозрачная внутренняя форма позволяет уверенно говорить о значении: предок носителя этой фамилии был человеком легкого нрава, не склонным к оседлости и серьезным делам. В отличие от многих фамилий, образованных от черт характера, эта сохранила оттенок иронии, а не осуждения. Дворянских родов с такой фамилией не зафиксировано — скорее всего, она бытовала в крестьянской или мещанской среде.