Фамилия Антимонов образована от редкого мужского имени Автоном. В переводе с греческого это имя означает «имеющий свои законы, живущий по собственным законам». Однако в основе фамилии лежит не полная, а просторечная форма этого имени — Антином. Такое преобразование характерно для русской народной традиции: длинные и неудобные для произношения канонические имена в быту сокращались и переосмысливались.

Суффикс -ов указывает на типичную модель русских фамилий, означающую принадлежность: Антимонов — это «сын Антимона» или «потомок Антимона». Форма с ударением на третий слог (Антимо́нов) тоже неслучайна: она следует за ударением в исходном имени Автоно́м, которое в просторечии нередко смещалось.

Стоит отметить, что имя Автоном никогда не было широко распространённым на Руси. Оно встречалось преимущественно в среде духовенства и в купеческих семьях, где придерживались традиции давать детям редкие святцевые имена. Соответственно, и фамилия Антимонов — нечастая. Встретить её можно в центральных и южнорусских областях, а также в старообрядческой среде, где старинные имена сохранялись дольше.

Иногда фамилию путают с однокоренной Антимонов — от имени Антимон, но это уже другая ветвь. В случае с Антимоновым перед нами именно след греческого Автонома, прошедшего через горнило русской народной фонетики.