Фамилия Атмосферов — редкий случай в русской ономастике: её основали не на имени, прозвище или ремесле, а на абстрактном понятии. Вопреки ожиданиям, корень не связан напрямую с воздушной оболочкой Земли. Слово «атмосфера» пришло в русский язык из греческого (ἀτμός — «пар» и σφαῖρα — «шар») только в XVIII веке, в эпоху научных открытий. Значит, фамилия не могла появиться раньше этого времени — 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 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 славились 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 единичные случаи. Таким образом, Атмосферов — яркий пример того, как книжное слово, попав в русскую жизнь, стало не просто термином, а фамильным знаком. За ним стоит история конкретного человека из духовного сословия, получившего своё имя от воздуха, которым дышала наука XVIII столетия.