Фамилия Арталионова — женская форма от редкой фамилии Арталионов, а та, скорее всего, пошла от мужского имени Арталион. В русской ономастике это имя почти не встречается, но у него греческие корни: Ἀρταλίων (Арталион) — уменьшительная форма от имени Арталий, которое связывают со словом ἄρταλος — «ловкий», «проворный» или «ремесленник». По другой версии, в основе лежит греческое ἀρτάω — «прикреплять», «вешать», откуда могло пойти прозвище, например, для торговца или мастера, работающего с креплениями.

В православных святцах имя Арталион не зафиксировано, что говорит о его скорее мирском, прозвищном происхождении. Вероятно, так в быту называли человека за его сноровку или профессию. Фамилию образовали по стандартной модели: суффикс -ов (в женском роде -ова) присоединили к основе Арталион, указав на принадлежность к главе семьи. То есть Арталионова — буквально «жена или дочь Арталиона».

География фамилии узкая: единичные носители встречаются в центральных областях России и в Поволжье, но массового распространения она не получила. Из-за редкости сложно судить о сословной принадлежности предков: Арталионовы могли быть и крестьянами, и мещанами. В дореволюционных записях фамилия могла писаться через «о» — Арталионов, но ударение, скорее всего, падало на третий слог: Арталио́нова, что отличает её от более частых фамилий на -ионов (вроде Аристархова).

Сравнение с однокоренными фамилиями (Арталов, Арташев) показывает, что корень «артал» в русских землях — явление редкое, возможно, принесённое греческими переселенцами или духовенством. Таким образом, Арталионова — не просто указание на предка, а след редкого имени, которое почти исчезло из обихода, но сохранилось в фамилии как лингвистическая редкость.