Фамилия Атмажовы — редкая и неочевидная, её происхождение вызывает споры даже у специалистов. Скорее всего, в её основе лежит не славянское, а тюркское или арабское имя, что типично для фамилий, возникших на южных и восточных окраинах России. Фамилия образована с помощью стандартного русского патронимического суффикса -ов, который указывает на принадлежность («чей?» — сын Атмажа). Сама же основа «Атмаж» — это, вероятнее всего, искажённая форма личного имени Атмаш, Атмас или Адмас. У тюркских народов (татар, башкир, ногайцев) такие имена могли быть связаны с понятием «ат» — конь, лошадь, то есть «конный», «всадник». В арабском языке прослеживается корень «ата» — дар, подарок, что делает возможным толкование «дарованный» или «подарок судьбы». Менее убедительной выглядит версия о связи с греческим «атма» (пар, дыхание) или с осетинским корнем — для неё нет ни географических, ни исторических подтверждений.

Примечательно, что суффикс -ов, а не -ин, указывает на то, что основа фамилии — не прозвище на -а/-я, а полноценное имя или прозвище, которое звучало именно как Атмаж. В русских говорах слово «атмаж» не встречается, поэтому версия о чисто русском прозвище маловероятна. Географически фамилия тяготеет к регионам Поволжья и Приуралья, где веками жили тюркские народы вперемешку с русскими, и где происходил интенсивный обмен именами. Сословно Атмажовы, скорее всего, относились к крестьянам или однодворцам, но не исключено, что предки были служилыми людьми «по прибору» — казаками или стрельцами, которые нередко получали фамилии по прозвищам от местного нерусского населения. Единственное, что можно сказать с уверенностью: фамилия не получила широкого распространения, её носители — это, как правило, потомки одной или нескольких родственных семей, сохранивших редкое родовое имя.