Фамилия Близнецов образована от прозвища Близнец. В основе лежит нарицательное «близнец» — так называли одного из двух детей, родившихся одновременно у одной матери. Прозвище указывало на родственные отношения: скорее всего, предок обладателя этой фамилии имел брата или сестру-близнеца, что и стало поводом для такого именования.

Фамилия относится к распространённому типу русских фамилий на -ов. Модель простая: к основе Близнец- добавили патронимический суффикс -ов, означающий «сын Близнеца». Со временем потомки человека с прозвищем Близнец закрепили за собой фамилию Близнецов.

У историка ономастики С. Б. Веселовского в его труде по русским фамилиям записан Близнецов Кузьма, посадский человек, 1623 год, Зарайск. Эта ранняя фиксация показывает, что фамилия бытовала уже в первой половине XVII века среди посадского населения — ремесленников и торговцев. Зарайск тогда был важным торговым городом на юго-востоке Московского государства, так что предки Близнецовых могли заниматься ремеслом или мелкой торговлей.

Прозвище Близнец не обязательно указывало на реальное двойняшество. В русской традиции так могли назвать человека, который был неразлучен с другом или братом, или даже того, кто внешне походил на кого-то из родни. В редких случаях прозвище давали ребёнку, родившемуся вторым в паре близнецов, чтобы отличить его от первого.

Среди однокоренных фамилий — Близнец, Близнюк, Близниченко. Близнецов — самая типичная для центральной России форма, с характерным суффиксом, указывающим на происхождение от отца. Встречается фамилия преимущественно в европейской части России, особенно в рязанском и тульском регионах, что согласуется с ранним упоминанием из Зарайска.