Фамилия Айтымова — женская форма фамилии Айтымов, и её разговор стоит 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 даже как личное имя Айтым, которое давали ребёнку, родившемуся в новолуние или в ясную лунную ночь.

Словообразовательная модель здесь проста и типична для тюркских фамилий, русифицированных при присоединении к России: к основе Айтым добавили русский патронимический суффикс -ов (в женском роде -ова), который указывал на принадлежность роду. То есть 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.

Географически фамилия распространена в Казахстане, Киргизии, а также среди тюркских народов юга России и Средней Азии. Встречается и в форме Айтымов, без редукции гласной. 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 был сказителем, «говорившим под луной».

В дореволюционных документах фамилия почти не фиксируется, что типично для кочевых народов, у которых фамилии стали массово закрепляться только в советское время при паспортизации. Это значит, что Айтымова — относительно молодая фамилия в письменной истории, но её корни уходят в глубину степных традиций имянаречения. Спорных версий происхождения нет: тюркская основа очевидна, и альтернативные гипотезы (например, связь с арабским «атым» — «сирота») лингвистически слабы, так как не объясняют суффикса -ым.