Фамилия Айтимова — это женская форма, образованная от мужской фамилии Айтимов. В её основе лежит тюркское личное имя или прозвище Айтим. Такое имя встречается у народов Средней Азии, Поволжья и Сибири: татар, башкир, казахов и киргизов. Тюркское «ай» переводится как «луна», а «тим» выступает либо суффиксом, либо частью сложного имени. «Айтим» можно понять как «мой месяц» или «лунный» — в кочевой культуре это поэтичное имя-пожелание, чтобы ребёнок был светлым, как луна, или родился в удачный лунный период.

Фамилию построили по русской патронимической модели: к основе Айтим добавили суффикс -ов, указывающий на принадлежность («чей?»). Так в русской традиции оформляли фамилии от тюркских имён, когда человек переходил в православие или оказывался в русскоязычной среде. Суффикс -ов здесь стандартный, без региональных особенностей, хотя встречается и вариант Айтимина (с тюркским суффиксом -ин), но -ов более распространён.

Географически фамилия Айтимова бытует у татар и башкир, реже — у казахов и киргизов, но обязательно в русском написании. В ономастических словарях эта фамилия не описана, что говорит о её локальном характере: 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 называли человека, родившегося в новолуние или отличавшегося бледным, «лунным» лицом. Прямых данных о древности фамилии нет, но её структура типична для XIX века, когда массово оформляли фамилии у нерусских народов Российской империи.