Фамилия Атмаховская — редкий случай, когда географическое прозвище перешло в фамилию через женскую линию, сохранив «женскую» форму суффикса. В этом её главная необычность. Основа — топоним Атмахово или Атмахов: хутор, деревня или урочище, откуда родом был первый носитель.

Название села, скорее всего, происходит от прозвища или имени Атмах. Тюркская версия убедительнее: «ат» — лошадь, «мах» — сила или мощь. Так могли называть конного воина, крепкого всадника, табунщика или даже конокрада. В южнорусских и казачьих землях такие прозвища встречались часто. Встречаются и версии, где Атмах — это искажённое крестильное имя (Фома или Артемий в просторечной форме), но тюркская гипотеза выглядит правдоподобнее.

Суффикс -ск- в русских и польских фамилиях обычно указывает на дворянский или шляхетский способ образования, но в данном случае он, скорее, указывает на происхождение: Атмаховские — это люди, которые «с Атмахова», то есть выходцы из одного села. Однако окончание -ая (а не -ий) — редкость. В русской традиции фамилии на -ская/-цкая 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 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. Единичные носители встречаются в Белоруссии и на Украине — это 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 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.