「とうとう」は、
到頭、
と当て、
とうどう、
とうど、
とも訛る（広辞苑・デジタル大辞泉・精選版日本国語大辞典）。
物事が最終的にそうなるさま、
ついに、
結局、
とどのつまり、
という意味である。
浮世到頭須適性、男兒何必蓋成功（羅隠詩）
とあり、
到頭、
は、
至竟、
畢竟、
到底、
と同義の漢語で、
つまるところ、
とどのつまり、
の意である（大言海・字源）。ちなみに、「到底」は、どちらかというと、わが国では、
到底できない、
到底無理だ、
と、
あとに否定の語を伴って、
どうしても、
いかにしても、
の意で使うことが多いが、これも漢語で、
心如清水、到底潔（呉澄詩）、
と、
底まで到る、
と、
つまるところ、
つまり、
の意である（字源）。で、「到頭」も、
先頭に到る、
意（日本語源広辞典）で、中国由来ということで決着が付きそうなのだが、異説がある。
尋ね尋ねて行き着く意で、トフトフ（問々）の義（松屋筆記）、
辺のきわまで危うくなる意で、ホトリホトリ（辺々）の転のホトホトの訛（俗語考）、
という説がある。しかし漢語がある以上、これは付会なのではないか（日本語源広辞典）。
「到底」と書いて「つまり」「結局」と読ませる、
ように、「到頭」も、
中国からの拝借文字、
なのではないか（https://oshiete.goo.ne.jp/qa/1443071.html）。
「とうとう」は、「ついに」と、
結果が現れることを表す、
意では一致するが、「とうとう」が、
長い時間を要してある結果が生じるという意味合いを持つ、
というのに対し、「ついに」は、
長い時間の後、最終的な時点で新しい何かが実現した、またはしなかった、
という意味合いがある（デジタル大辞泉）とあるが、「とうとう」にも、
とうとう成功を掴んだ、
というように、
期待されながらも実現が危ぶまれていたことが、時が経過して最終的に望んだ通りの事態に至った様子
と同時に、
到頭落第した、
というように、
以前から懸念されていたことが、時が経過して、最終的にその通りの好ましくない自体に至る様子、
の二重の含意がある（https://xn--fsqv94c.jp/toutou.html）のではないか。
類義語に、「結局」があるが、「結局」は、
結は終結、局は碁盤なり、
とあり（大言海）、
囲碁を一局打ち終える、
意からきており（広辞苑）、
ずいぶん頑張ったが、結局成功しなかった、
というように、
いろいろな経過があったが、
という含意がある（デジタル大辞泉）。
（「到」 金文・西周 https://ja.wiktionary.org/wiki/%E5%88%B0より）
「到頭」の「到」（トウ）は、
会意兼形声。到は「至＋音符刂（刀）」。至は、矢が一線に届くさま。刀は、弓なりに反った刀。まっすぐに行き届くのを至といい、弓なりの曲折を経て届くのを到という、
とある（漢字源）。別の解釈に、
形声文字です（至+刂（刀））。「矢が地面に突き刺さった」象形（「至る」の意味）と「刀」の象形（「かたな」の意味だが、ここでは、「召」に通じ（「召」と同じ意味を持つようになって）、「まねく」の意味)から、「（まねかれて）いたる」を意味する「到」という漢字が成り立ちました、
ともある（https://okjiten.jp/kanji1108.html）。
（「到」成り立ち https://okjiten.jp/kanji1108.htmlより）
「到」は、至なり、彼より此に到著する意、
とあり（漢字源）、至で通用するので、
至家、
を、
到家、
とも書くが、
知至、
徳至、
には到は用いない（字源）、とある。
「頭」（漢音トウ、呉音ズ）は、
会意兼形声。「頁（あたま）＋音符豆（じっとたった高坏）」で、まっすぐたっているあたま。豆は、たかつき（高坏）を描いた象形文字、じっとひとところに立つ意を含む、
とある（漢字源）。
（「頭」 漢字 成り立ち https://okjiten.jp/kanji21.htmlより）
参考文献；
大槻文彦『大言海』(冨山房)
前田富祺編『日本語源大辞典』（小学館）
ホームページ；http://ppnetwork.c.ooco.jp/index.htm
コトバの辞典；http://ppnetwork.c.ooco.jp/kotoba.htm#%E7%9B%AE%E6%AC%A1
スキル事典；http://ppnetwork.c.ooco.jp/skill.htm#%E3%82%B9%E3%82%AD%E3%83%AB%E4%BA%8B%E5%85%B8
書評；http://ppnetwork.c.ooco.jp/critic3.htm#%E6%9B%B8%E8%A9%95
