Фамилия Желтобрюх — редкий случай в русской ономастике: прозвище перешло в фамилию почти без изменений, минуя типовые суффиксы -ов, -ин или -ский. Такая «голая» форма (без патронимического оформления) характерна для украинской и белорусской традиции, где фамилии нередко застывали в виде чистого прозвища. В русских говорах подобное встречается реже, но тоже возможно, особенно среди казачества или в южнорусских областях.

Основа фамилии прозрачна: «желтобрюх» — сложение слов «жёлтый» и «брюхо». В прямом смысле так могли прозвать человека с заметным жёлтым отливом кожи на животе, что указывало бы на болезнь (например, желтуху). Однако в народной речи прозвища редко давали по медицинским показаниям — скорее по внешнему сходству с животным. Самое вероятное: прозвище восходит к названию птицы или рыбы. Желтобрюхом в разных регионах называли желтоголового королька, некоторых синиц, а также бычка-желтобрюха (рыбу из семейства бычковых). Человек мог получить такое прозвище за характерную одежду (жёлтый жилет, пояс) или за манеру носить живот вперёд, как у сытой птицы.

С точки зрения словообразования фамилия стоит в ряду таких же «цветных» прозвищ: Краснопёров, Синебрюхов, Белоусов. Но Желтобрюх — более архаичная форма, без суффикса. Это значит, что предок носителя, скорее всего, жил в среде, где фамилии только начинали закрепляться, — на юге России, в Малороссии или среди донских казаков. В документах XVIII–XIX веков такая фамилия могла писаться как Желтобрюхов, но в устной речи сохранилась краткая форма.

Географически фамилия тяготеет к югу: встречается в Ростовской области, Краснодарском крае, на Украине. В центральных и северных губерниях России её почти нет — там предпочли бы форму Желтобрюхов.

Споров о происхождении немного: альтернативная версия, будто «желтобрюх» — это прозвище скупого или жадного человека (по ассоциации с «жёлтым» цветом золота и «брюхом» как символом наживы), выглядит натянутой. Правдоподобнее всего зоологическая или бытовая основа — птица, рыба или просто яркая деталь внешности.