Фамилия Желтышева образована от мужской формы Желтышев, а та, в свою очередь, — от прозвища или нецерковного имени Желтыш. Основа здесь — прилагательное «жёлтый», а суффикс -ыш характерен для русских прозвищ, указывающих на внешний признак: Малыш, Голыш, Кудряш. Желтышом на Руси могли назвать человека со светлыми, рыжеватыми волосами или бледной, желтоватой кожей. В некоторых говорах «жёлтый» означало также «болезненный» или «чахлый», но в основе фамилии скорее лежит цветовой признак, а не диагноз: прозвища по цвету волос давали часто и без негативного оттенка.

Модель образования проста: к основе Желтыш- добавился патронимический суффикс -ев (вариант -ов после шипящего и мягкого согласного). Это значит, что Желтышевы — потомки человека по прозвищу Желтыш. Форма на -ев, а не на -ин, указывает, что основа оканчивалась на согласный или шипящий, что и закрепилось в фамилии.

Географически фамилия встречается в основном в центральных и северных регионах России, особенно в Вологодской, Кировской областях и Пермском крае. В этих местах, по данным переписей XIX века, фамилия Желтышев фиксировалась среди крестьян и мещан. Встречается и вариант Желтышов — с ударением на первый слог, что характерно для южнорусских говоров.

Интересная деталь: в некоторых документах XVII–XVIII веков встречается написание «Жолтышев» — через «о» после шипящего, что отражает старое произношение. Это не ошибка, а следствие того, что до реформы орфографии буква «ё» не использовалась, а «о» после шипящих читалось как [о] под ударением. Так что предки могли писаться и как Жолтышевы, но современная норма закрепила «е».

Родственных фамилий с тем же корнем много: Желтов, Желтухин, Желтяков, Желтобрюхов. Все они восходят к одному цветовому признаку, но различаются суффиксами, а значит, и временем возникновения. Желтышев — одна из более поздних, «прозвищных» форм, где суффикс -ыш придаёт оттенок уменьшительности или характерности: Желтыш — не просто жёлтый, а «такой, что выделяется жёлтым».