Фамилия Атнагуллов сразу указывает на тюркские корни носителя, чаще всего татарские или башкирские. Её основа — сложное мужское имя Атнагул, которое состоит из двух частей. Первая часть, «Атна», восходит к персидскому слову со значением «пятница» — в исламской традиции день священный, поэтому имя несло пожелание чистоты и благословения. Вторая часть, «гул», тоже из персидского и означает «цветок» или «роза». Вместе имя Атнагул переводится как «пятничный цветок» или «цветок пятницы».

Русский патронимический суффикс -ов был добавлен при оформлении фамилии по государственному образцу в XIX веке, в эпоху массового учёта населения. Атнагуллов буквально означает «сын Атнагула». Если бы фамилия сохранила тюркскую модель, она могла бы звучать как Атнагулов (без удвоения «л») или Атнагуллин, но вариант с двойным «л» закрепился в русской графике как более точная передача тюркского долгого согласного. В дореволюционных метрических книгах встречается и написание через одно «л», что говорит о колебаниях в фиксации.

Географически фамилия наиболее частотна в Татарстане и Башкортостане, а также в соседних Оренбургской, Челябинской и Самарской областях. В среде казахов она обычно пишется как Атнагулов — без удвоения согласного. Спорных версий происхождения у фамилии практически нет: попытки связать первую часть имени с тюркским «ат» (лошадь) или «ата» (отец) лингвистически слабы, так как в именах такого типа «атна» устойчиво означает именно пятницу.

Социально предки носителей фамилии — скорее всего, крестьяне или ремесленники из числа служилых татар, которые после завоевания Казани перешли в сословие государственных крестьян или торговцев. Дворянских родов с фамилией Атнагуллов в российских родословных книгах не зафиксировано.