Фамилия Айтимова — женская форма фамилии Айтимов. Её основа — личное имя или прозвище Айтим. Скорее всего, это тюркское имя, распространённое у народов Средней Азии, Поволжья и Сибири (татары, башкиры, казахи, киргизы). В тюркских языках «ай» означает «луна», а «тим» — суффикс или часть сложного имени. «Айтим» можно перевести как «мой месяц» или «лунный», что в кочевой культуре было поэтичным именем-пожеланием: чтобы ребёнок был светлым, как луна, или родился в удачный лунный период.

Фамилия образована по русской патронимической модели: к основе Айтим добавили суффикс -ов, который указывает на принадлежность («чей?»). В русской традиции так оформляли фамилии от тюркских имён, когда человек переходил в православие или просто оказывался в русскоязычной среде. Суффикс -ов здесь стандартный, без региональных особенностей.

Географически фамилия Айтимова встречается у татар, башкир, реже у казахов и киргизов, но в русском написании. Встречаются и варианты с другим суффиксом — Айтимина (от тюркской модели с -ин), но -ов более частотен. В ономастических словарях эта фамилия не описана, что говорит о её локальном бытовании: она не попала в общероссийские списки дворянских или купеческих родов.

По социальному происхождению Айтимовы — скорее всего, крестьяне или сельские жители, получившие фамилию при переписях или крещении. В тюркской среде имя Айтим могло быть и прозвищем: так могли назвать человека, родившегося в новолуние или отличавшегося бледным, «лунным» лицом. Прямых данных о древности фамилии нет, но её структура типична для XIX века, когда массово оформлялись фамилии у нерусских народов Российской империи.