O Vocabulário da Língua Portuguesa (1966) de Rebelo Gonçalves regista as duas formas Ptolomeu e Ptolemeu, que são antropónimos, bem como Ptolemeus e Ptolomeus, que são patronímicos masculinos. Estas formas também se encontram no Dicionário Onomástico Etimológico da Língua Portuguesa, de José Pedro Machado.
Não pude foi encontrar explicação para a existência das duas variantes.