Фамилия Атмосферов — редкий случай в русской ономастике, где за основу взято абстрактное понятие, а не имя, прозвище или ремесло. Вопреки ожиданиям, её корень не связан с воздушной оболочкой Земли напрямую. Слово «атмосфера» пришло в русский язык из греческого (ἀτμός — «пар» и σφαῖρα — «шар») только в XVIII веке, в эпоху научных открытий. Фамилия, образованная от этого слова, не могла появиться раньше, чем оно вошло в обиход, а значит, перед нами относительно поздняя — семинарская или искусственная фамилия.

Модель образования типична для русских фамилий: основа «атмосфер» плюс патронимический суффикс -ов, указывающий на принадлежность («чей?» — Атмосферов). Чаще всего такие фамилии давали в духовных училищах и семинариях. Священники нередко получали «говорящие» фамилии по церковным праздникам, богословским терминам или просто благозвучным словам. «Атмосферов» мог получить ученик, отличавшийся спокойным нравом («атмосфера» как обстановка), либо, напротив, мечтательный юноша, увлекавшийся науками. Есть и другая, менее вероятная версия: фамилию могли дать в качестве прозвища в светской среде, но для крестьянской или купеческой среды XVIII–XIX веков такое абстрактное прозвище — редкость.

География фамилии, судя по доступным данным, неширокая и точечная. Встречается в центральных губерниях России, в частности, в бывших Тверской и Московской, что косвенно подтверждает её семинарское происхождение — духовные школы этих регионов были известны любовью к «учёным» фамилиям. В отличие от фамилий на -ский (типа Атмосферский), которые тоже давали семинаристам, форма на -ов указывает на более прямое, бытовое восприятие слова как прозвища, а не как торжественного эпитета.

Однокоренных «атмосферных» фамилий в русском языке практически нет. Можно вспомнить разве что Атмосферовского или Атмосферова (женский вариант), но это уже единичные случаи. Таким образом, Атмосферов — яркий пример того, как книжное слово, попав в русскую жизнь, стало не просто термином, а фамильным знаком, за которым стоит история конкретного человека из духовного сословия, получившего своё имя от воздуха, которым дышала наука XVIII столетия.