Фамилия Атмаховская — редкий случай, когда географическое прозвище перешло в фамилию через женскую линию, сохранив при этом «женскую» форму суффикса. Основа здесь — топоним Атмахово или Атмахов, который мог обозначать хутор, деревню или урочище. Название, скорее всего, происходит от прозвища или имени Атмах — тюркского по происхождению, где «ат» означает «лошадь», а «мах» — «сила» или «мощь». Вероятно, так называли конного воина, крепкого всадника или человека, связанного с лошадьми (табунщика, конокрада). Встречаются также варианты, где Атмах — это искажённое крестильное имя (например, Фома или Артемий в просторечной форме), но тюркская версия убедительнее, учитывая распространённость подобных прозвищ в южнорусских и казачьих землях.

Суффикс -ск- указывает на дворянский или шляхетский способ образования фамилий в России и Польше, но в данном случае он, вероятнее, не даёт сословной привилегии. Атмаховские — это люди, которые «с Атмахова», то есть выходцы из одного села. Однако окончание -ая (а не -ий) — редкое. В русской традиции фамилии на -ская/-цкая обычно закреплялись за мужчинами как -ский, а -ская оставалась формой для женщин. Сохранение женского окончания в родовой фамилии (Атмаховская, а не Атмаховский) говорит о том, что фамилия могла закрепиться за женщиной-вдовой или за семьёй, где родоначальником был барин, а дети пошли по материнской линии. Либо же это результат поздней канцелярской записи, когда писарь записал фамилию в женском роде по ошибке, и она прижилась.

Географически фамилия тяготеет к югу России — к Курской, Воронежской, Ростовской областям и к бывшим землям Войска Донского. Встречаются единичные носители в Белоруссии и на Украине, что подтверждает связь с польско-литовским влиянием на формирование фамилий на -ский. В метрических книгах XIX века Атмаховские фигурируют как мещане и однодворцы — потомки служилых людей, охранявших южные рубежи. Ремесло предков, если отталкиваться от прозвища, могло быть связано с коневодством или извозом, но точных данных нет.

В написании фамилии возможны варианты: Атмаховская, Отмаховская, Атмаховска (в польской традиции). Двойное «с» в суффиксе — норма для русского языка, хотя в документах встречается и одинарное. Фамилия не имеет отношения к «атмосфере» или греческим корням, хотя такие ложные ассоциации возникают у носителей. Фактически, это чисто русская (южнорусская) фамилия с тюркским корнем и польским суффиксом — смесь, характерная для пограничных территорий.