Фамилия Атрихайлова редкая и звучит нехарактерно для русского уха. Чтобы понять её происхождение, нужно в первую очередь разобрать её суффиксальную часть. Окончание «-ова» указывает на женскую форму, а мужской вариант — Атрихайлов. Суффикс «-айлов» встречается нечасто и в классических русских фамилиях почти не используется. Обычно он характерен для тюркских языков, где «-ай» или «-айлы» может быть частью личного имени или прозвища, а «-лов» — русифицированный патронимический суффикс (по аналогии с фамилиями вроде Ахметов — от Ахмет). Основа «Атрих» или «Атрихай» не имеет прямых параллелей в славянской лексике.

Наиболее правдоподобная версия — тюркское происхождение. Корень «Атр» может восходить к древнетюркскому слову «ат» — «имя, слава» или «конь». В сочетании с аффиксом «-ай» (уменьшительно-ласкательный или принадлежностный) имя могло звучать как Атрай или Атрыкай. Форма «Атрихай» могла возникнуть при адаптации на русской почве: тюркское «к» между гласными часто переходило в «х» (сравните: Каракоз — Хархоз). Таким образом, исходное имя могло означать «славный конь» или «прославленный всадник». Вторая версия, менее вероятная, связывает фамилию с кавказскими языками, где встречаются основы «атр» (огонь) и «хай» (жизнь), но это построение слишком умозрительное.

Географически фамилия почти не встречается в центральных областях России. Несколько семей с такой фамилией зафиксированы в республиках Северного Кавказа (Дагестан, Чечня) и в Астраханской области — регионах с сильным тюркским влиянием. Это косвенно подтверждает версию о том, что предки носителей фамилии были выходцами из тюркской среды, возможно, ногайцами или кумыками, которые позднее перешли на русский язык и получили фамилию по отцу.

Сословно говорить что-то определённое сложно. В тюркской среде фамилии на «-ов» часто давали всем слоям населения, от крестьян до служилых людей. Если предок был воином или конюхом, прозвище «Атрихай» (славный конь) могло закрепиться как родовое имя. В любом случае, фамилия Атрихайлова — яркий пример того, как русская фамильная модель «съела» иноязычную основу, сохранив при этом её необычное звучание.