Фамилия Брюнова — женская форма от Брюнов, и её разумнее разбирать через мужской вариант. Основа здесь неочевидна, и это как раз тот случай, когда без исторической фонетики не обойтись. Самое вероятное объяснение: Брюнов образовано от прозвища или имени Брюн. В старых русских говорах «брюн» — не просто человек с тёмными волосами (как в литературном языке), а конкретно «смуглый, чернявый». Слово заимствовано из польского или через западные диалекты, где brun означало то же самое. Таким образом, первый носитель фамилии мог получить прозвище по внешности.

Менее распространённая, но лингвистически допустимая версия — связь с глаголом «брюнить» (ворчать, брюзжать). В словаре Владимира Даля зафиксировано слово «брюн» в значении «ворчун». Тогда фамилия отражала бы характер, а не цвет волос. Обе гипотезы имеют право на существование, но первая (по внешности) встречается в русских фамилиях чаще — сравните с Чернов, Белов, Рыжов, где модель «цвет волос + -ов» одна из самых продуктивных.

Суффикс -ов указывает на принадлежность: Брюнов — сын Брюна, то есть отчество, которое закрепилось как фамилия. Это типичная модель для центральных и северных областей России. Географически фамилия встречается рассеянно, без ярко выраженного гнезда, что тоже говорит в пользу прозвищного происхождения — носители не связаны с одним селом или ремеслом.

В дореволюционных переписях фамилия Брюнов фиксируется в основном среди крестьян и мещан. Дворянских родов с такой фамилией нет, что подтверждает её «низовое» происхождение от простого прозвища. Если искать однокоренные фамилии, то ближе всех Брюнин (с другим суффиксом) и Брюнцев (с патронимическим суффиксом -цев). Но Брюнова стоит особняком — её основа не дала большого числа производных, что делает фамилию относительно редкой.