Фамилия Атнагулов образована от мужского тюркского имени Атнагул. В основе лежат два компонента: «атна» (пятница, священный день у мусульман) и «гул» (раб, слуга). В целом имя переводится как «раб божий, родившийся в пятницу» или «слуга, появившийся на свет в пятницу». Такая модель сложных имён широко распространена у башкир и татар: вторая часть часто указывает на религиозный статус человека («гул» — арабское «раб, слуга»), а первая уточняет обстоятельство рождения.

Фамилия образована по стандартной русской модели с патронимическим суффиксом -ов, который добавлялся к тюркским именам при оформлении фамилий в XVIII–XIX веках. Изначально Атнагулов — это отчество: «сын Атнагула». Географически фамилия встречается преимущественно у башкир и татар, в частности в Башкортостане, Татарстане и Оренбургской области. Встречаются варианты написания Атнагуллов (с удвоенной «л») — это связано с особенностями передачи татарских и башкирских имён в русской записи, где конечная буква имени могла дублироваться перед суффиксом.

Редкость фамилии в том, что её основа не утратила прямого календарного смысла: имя Атнагул давали мальчикам, родившимся в пятницу, — день, который у мусульман считается благословенным для коллективной молитвы. В ономастических работах по тюркским фамилиям (в частности, у исследователя Г. Ф. Саттарова) такие имена выделяются в отдельную группу «временных» — по дню или времени рождения. Другие однокоренные фамилии — Атнабаев, Атнашев — образованы от тех же «пятничных» основ, но с разными суффиксами или вторыми компонентами.