Фамилия Айтымов происходит от тюркского имени Айтым. В казахском, киргизском и других тюркских языках «айтым» означает «сказание», «высказывание», «речение». Однако в основе фамилии лежит не нарицательное слово, а личное имя Айтым, которое давали ребенку с пожеланием красноречия, умения убеждать или как отсылку к традиционному народному творчеству — айтысу (поэтическому состязанию). Таким образом, предок носителя этой фамилии был назван Айтымом, а его потомки стали Айтымовыми.

Словообразовательная модель стандартна для русской адаптации тюркских фамилий: к основе Айтым добавляется русский патронимический суффикс -ов, что буквально означает «сын Айтыма» или «из рода Айтыма». Фамилия не имеет суффикса -ин, так как основа оканчивается на твердый согласный, а не на -а или -я. Редкость фамилии в том, что она сохранила конечный -м, который в некоторых тюркских фамилиях при русификации мог отсекаться (ср. Айтымов и возможное Айтыев).

Географически фамилия Айтымов распространена преимущественно среди казахов и киргизов, а также встречается у башкир и татар. В русском контексте она почти не встречается, что указывает на четкую этническую привязку. Социально предки Айтымовых, скорее всего, были скотоводами или кочевниками, но имя Айтым могло указывать на принадлежность к роду акынов — народных поэтов и сказителей, которые пользовались большим уважением в степи.

Спорных версий происхождения немного. Некоторые ошибочно связывают фамилию с тюркским «айт» — «говори», но это глагольная форма, которая не используется как имя. Гораздо правдоподобнее, что Айтым — это личное имя, производное от того же корня, что и айтыс, то есть прямое указание на занятие или дар предка.