Фамилия Арзыматов построена по типичной для тюркских народов модели, но с русским патронимическим суффиксом -ов. Этот суффикс, отвечающий на вопрос «чей?», означает «сын такого-то» и был одним из главных инструментов русификации нерусских имён в XIX–XX веках. В основе фамилии лежит личное имя Арзымат.

Само имя Арзымат — сложносоставное, и его разбор даёт ключ к пониманию смысла. Первая часть, «арзы», восходит к тюркскому «арзу» — «желание», «мечта», «страсть». Вторая часть, «мат», — это тюркская огласовка арабского имени Мухаммад. Таким образом, имя Арзымат переводится как «желанный Мухаммад» или «мечта о Мухаммаде». Составные имена, где первая часть — эмоциональная характеристика (желанный, любимый, дорогой), а вторая — религиозное имя, широко распространены в татарской, башкирской, казахской и других тюркских ономастиках. Такое имя давали ребёнку в надежде, что он будет соответствовать высокому образцу пророка.

Фамилия Арзыматов встречается нечасто, что указывает на её локальное бытование, скорее всего, в Поволжье или Приуралье — в среде татар или башкир. В русском контексте фамилия могла закрепиться двумя путями: либо после крещения, когда к тюркскому имени добавили русский суффикс, либо у мусульман, принявших российское подданство и получивших фамилию по отцу.

Других версий происхождения — от географического названия или прозвища по ремеслу — для этой фамилии не прослеживается. Основа прозрачна и лежит в области личных имён. Предки носителей фамилии Арзыматов, скорее всего, получили при рождении имя Арзымат, и оно, пройдя через столетия, стало родовым знаком.