Фамилия Автамонова образована от мужского имени Автамон, которое в свою очередь является просторечной формой канонического имени Автоном. В основе лежит греческое «аутономос» — «самозаконный», «независимый», «живущий по своим законам». В святцах это имя встречалось редко, но в русской народной среде оно приобрело специфическое звучание: «Автамон» — через «м» в середине слова. Такое переосмысление характерно для живой речи, стремившейся сделать необычное имя более привычным, похожим на другие славянские имена с корнем «там» (как в словах «там», «тамошний»).

Суффикс -ов- указывает на типичную русскую модель образования фамилий: от имени отца. Автамонов — буквально «сын Автамона». Окончание -а в Автамонова — женская форма, но в современном бытовании фамилия склоняется по общему правилу: в мужском роде — Автамонов, в женском — Автамонова. На письме фамилия встречается и в варианте Автомонова, что связано с диалектным произношением: в некоторых говорах «о» в безударном положении звучало как «а», и наоборот, «а» могли записывать как «о» из-за путаницы с книжным «Автоном».

Географически фамилия Автамоновых привязана к северным и центральным областям России. В переписных книгах XVII–XVIII веков крестьяне и посадские люди с именем Автамон встречаются в Вологодском, Архангельском, Костромском уездах. Позднее фамилия распространилась в Поволжье и на Урал, что связано с переселенческими потоками. Среди носителей преобладали люди из крестьянского и мещанского сословий — в дворянских родословных книгах Автамоновы почти не фигурируют, так как имя Автоном не было популярным в высших кругах.

С точки зрения словообразования фамилия интересна тем, что сохранила редкую народную форму имени, вытесненную впоследствии церковным вариантом «Автоном». В современных словарях русских фамилий (например, у Б. Унбегауна) Автамонов приводится как пример адаптации греческого имени через просторечие. Однокоренные фамилии — Автономов, Автомонов — встречаются реже и чаще фиксируются у старообрядцев, где имя Автоном почиталось за его символическое значение «самозаконный», то есть независимый от официальной церкви.