Фамилия Атрихайлов сразу обращает на себя внимание необычной формой. В русском ономастиконе привычны суффиксы -ов, -ев или -ин, а здесь мы видим редкий суффикс -айлов. Эта модель встречается в основном в прозвищах и именах тюркского или монгольского происхождения (вроде Уразбай, Алтай, Кучай), а также в старорусских неканонических именах. Значит, фамилия могла образоваться от прозвища или имени Атрихайло (или Атрахайло), где основа Атрих-/Атрах- — тюркского корня.

Скорее всего, в основе лежит тюркское слово «атыр» или «адыр» — «отделять», «разделять», или же «атыр» (в диалектах) — «душистый», «ароматный». Однако более убедительной выглядит версия с корнем «атрак» (устар. «притяжение», «приманка»). В тюркских языках «атрак» означает «то, что притягивает» или «приманка». Прозвище Атрак (или Атрахай) могли дать ловкому, умелому человеку, который умел привлекать людей или добычу. Суффикс -айло в русском языке часто придавал прозвищу оттенок фамильярности или указывал на род занятий (сравните: Мазай — от «мазать», Балалай — от «балалайка»). Таким образом, Атрихайло — это человек, связанный с «атраком»: возможно, охотник, зазывала или торговец, умеющий приманивать.

Словообразовательная модель «основа на -айл + суффикс -ов» редкая, но закономерная для русских фамилий от прозвищ на -айло. Сравните: Мазайлов (от Мазайло), Балалайлов (от Балалайло). Суффикс -ов здесь стандартный патронимический, отвечает на вопрос «чей?». То есть Атрихайлов буквально означает «сын Атрихайла». Ударение, скорее всего, падает на последний слог: АтрихайлОв, хотя в разговорной речи возможен вариант на второй слог.

География фамилии крайне узкая. Она почти не встречается за пределами нескольких регионов России — в основном в южных областях (Волгоградская, Ростовская) и в некоторых районах Сибири, куда переселялись казаки. Это наводит на мысль, что фамилия сформировалась в среде донского или кубанского казачества, где были сильны тюркские заимствования. Казаки часто получали прозвища из местного тюркского лексикона, которые затем закреплялись как фамилии.

Фамилия Атрихайлов не относится к числу дворянских или старомосковских. Её носители, вероятнее всего, происходили из служилых людей «по прибору» (стрельцы, казаки) или из государственных крестьян. В дореволюционных документах она могла писаться по-разному: Атрахайлов, Атрыхайлов, Отрихайлов — из-за нестабильности безударных гласных и диалектного произношения. Сегодня это очень редкая фамилия, что делает её ценной для генеалогического поиска: найти однофамильцев — значит почти наверняка найти родственников.