Фамилия Айтымова — женская форма от Айтымов, и её разумно начать с основы: она тюркская, скорее всего казахская или киргизская. В этих языках «ай» означает «луна» или «месяц», а «тым» — суффикс, образующий отвлечённые понятия или имена. Вместе «айтым» можно перевести как «лунное слово», «сказание о луне» или как личное имя Айтым. Такое имя давали ребёнку, родившемуся в новолуние или в ясную лунную ночь — типичная для кочевых народов практика имянаречения по природному явлению.

Словообразовательная модель проста: к основе Айтым добавили русский патронимический суффикс -ов (в женском роде -ова), который указывал на принадлежность роду. Айтымова — «дочь или жена человека по имени Айтым». В отличие от славянских фамилий на -ин, где основа часто оканчивается на -а/-я, здесь суффикс -ов стандартен для адаптации тюркских имён при русификации, начавшейся после присоединения казахских и киргизских земель к Российской империи.

Географически фамилия встречается в Казахстане, Киргизии, а также среди тюркских народов юга России и Средней Азии. Бытует и в форме Айтымов, без редукции гласной — это зависит от местного произношения и записи. Интересная деталь: в казахской ономастике слово «айтым» может быть не только именем, но и старым термином, обозначающим устное обещание или договор. Возможно, предок носителя фамилии был известен как человек, державший слово, или же сказитель — «говоривший под луной».

В дореволюционных документах фамилия почти не фиксируется. Это типично для кочевых народов, у которых фамилии массово закрепляли только в советское время при паспортизации 1920–1930-х годов. Значит, Айтымова — молодая фамилия в письменной истории, но её корни уходят в глубину степных традиций имянаречения. Спорных версий происхождения нет: тюркская основа очевидна. Альтернативные гипотезы, например связь с арабским «атым» — «сирота», лингвистически слабы, так как не объясняют суффикса -ым.