Фамилия Бирбуновов — одна из тех редких русских фамилий, в которой причудливо переплелись тюркские корни и русская модель словообразования. Разбор её структуры сразу даёт ключ к пониманию: основа «Бирбунов» — это, скорее всего, сложное имя или прозвище, а финальный суффикс -ов указывает на принадлежность («чей?»). Вторая часть фамилии, «-ов», здесь не обычный патронимический суффикс, а часть исходной основы, которая затем получила ещё один суффикс -ов. Такое «двойное» окончание встречается, когда фамилию образовывали от уже существующей фамилии или прозвища на -ов: например, отца звали Бирбунов, а его сыновья стали Бирбунововыми.

Корень «Бирбунов» состоит из двух частей. Первая, «бир», в тюркских языках означает «один», «единственный». Вторая часть, «бунов», может быть искажённой формой от «буна» (опора, основание) или от «бун» (смута, мятеж). Однако более вероятно, что это вариант имени Бирбай (от «бир» и «бай» — «богатый», «господин»), которое в русской записи могло превратиться в «Бирбунов» под влиянием просторечного произношения. Таким образом, исходное прозвище Бирбунов могло означать «единственный богач» или «одинокий господин» — типичное для тюркской антропонимии имя-пожелание или характеристика.

Географически фамилия Бирбуновов почти наверняка восходит к районам бывшего Казанского ханства или к землям, где русские и татары жили вперемешку — Нижегородское Поволжье, Оренбуржье, Урал. В этих краях тюркские прозвища часто русифицировали, добавляя к уже готовой форме на -ов ещё один слой русской фамильной морфологии. Такие «длинные» фамилии, как Бирбуновов, Каратаевов или Муратовов, — верный признак того, что предок носителя был крещёным татарином или башкиром, чью фамилию на -ов «дополнили» по аналогии с русскими патронимами.

В отличие от массовых фамилий вроде Иванов, Бирбуновов — редкий случай. Она не попала в списки дворянских родов и не фиксируется в дореволюционных справочниках. Её носители, скорее всего, были либо государственными крестьянами, либо однодворцами южных окраин, где смешение культур шло особенно активно. В современной России фамилия встречается единично, что делает её особенно ценной для генеалогического поиска: каждый её носитель — часть узкой и своеобразной ветви русско-тюркского пограничья.