Фамилия Ахтемовы происходит от мужского имени Ахтем, которое лежит в её основе. Это имя — диалектный вариант, характерный, в частности, для чувашской языковой среды, от более распространённого тюркского имени Ахтям. В свою очередь, имя Ахтям имеет арабские корни. Его основное значение — «щедрейший из щедрых», хотя существует и второе, бытовое толкование — «беззубый».

Словообразовательная модель фамилии проста и типична для русского языка: к основе имени Ахтем добавляется суффикс -ов, указывающий на принадлежность («чей?»). Таким образом, Ахтемовы — это потомки человека по имени Ахтем. Окончание -ы в форме множественного числа (Ахтемовы) подчёркивает, что речь идёт о роде, династии, а не об одном человеке.

По поводу происхождения самого имени Ахтем существует несколько версий, и ни одну из них нельзя отбросить. Первая и наиболее вероятная связывает его с арабским именем Ахтям. Вторая версия предполагает, что Ахтем — это искажённая форма арабского имени Адхам, которое переводится как «чёрный, тёмный». Третья, менее убедительная, но возможная в народной этимологии, — что Ахтем стал произносительным вариантом имени Артём (от греческого Артемий — «здоровый, невредимый»).

Исторически фамилия Ахтемов относится к тому пласту русских фамилий, которые образованы от имён тюркского происхождения. Корни таких фамилий уходят в XV–XVII века, в эпоху активных контактов русского государства с выходцами из Золотой Орды, печенегами и половцами. Многие дворянские роды в России вели своё начало от знатных татарских мурз и князей, переходивших на русскую службу, что и объясняет проникновение инонациональных основ в русский именослов. Однако утверждать, что все носители фамилии Ахтемовы принадлежали к дворянству, без конкретных генеалогических данных нельзя — фамилия могла закрепиться и в крестьянской, и в мещанской среде. Главное, что она сохранила память о древнем восточном имени, став памятником тюркской и арабской письменной культуры на русской почве.