Фамилия Автономова образована от редкого крестильного мужского имени Автоном. В переводе с греческого оно означает «самостоятельный», а буквально — «сам себе закон». Имя это встречалось в святцах, но массового распространения на Руси не получило, поэтому и фамилия, от него произведенная, не относится к числу частых. Суффикс -ов указывает на стандартную модель русских фамилий: потомок человека по имени Автоном получал фамилию Автономов, а для женщин — Автономова.

Вопреки распространенному мнению, что носители такой фамилии непременно принадлежали к высшему сословию, реальная картина сложнее. Имя Автоном действительно могло встречаться в среде духовенства и дворянства, ценивших греческие корни, но основная масса Автономовых — это крестьяне и посадские люди, получившие фамилию по имени отца или деда.

Самое известное упоминание в истории — вологодские иконописцы Автономовы XVII века. Это сыновья и ученики Аггея Максимова Автономова, иконописца, работавшего в Москве до 1660 года. Григорий и Гурий Автономовы расписывали Архангельский собор в Кремле. Их пример показывает, что фамилия бытовала в среде профессиональных ремесленников, а не только знати.

В современной России фамилия Автономова встречается нечасто, но равномерно по разным регионам, без резкой привязки к одной местности.