Фамилия Бухтилов образована от прозвища или нецерковного имени Бухтило. В её основе лежит глагол «бухтеть» — в русских говорах это слово означало «ворчать», «брюзжать», «говорить глухо и невнятно», а иногда и «издавать глухой звук, гул». Человек с таким прозвищем мог быть неразговорчивым, постоянно недовольным или, наоборот, обладать низким, гулким голосом. В ономастике это типичная модель: от характерного действия или особенности поведения образовали прозвище, а затем, по патронимическому принципу, — фамилию.

Суффикс -илов указывает на принадлежность к определённому роду через отчество: Бухтилов буквально значит «сын Бухтилы». Такая модель (основа на -ило + суффикс -ов) встречается реже, чем простые -ов/-ев, и характерна для прозвищ, образованных от глаголов с суффиксом -ило (например, Губило, Крутило). Исходная форма Бухтило — это имя-прозвище, которое в древнерусской традиции давали не при крещении, а в быту, для точной характеристики человека.

С географической точки зрения фамилия тяготеет к северным и центральным регионам России. Глагол «бухтеть» наиболее активно фиксировался в архангельских, вологодских, вятских и пермских говорах. Это даёт основание предполагать, что первые носители фамилии происходили из крестьянской или посадской среды Русского Севера или Верхнего Поволжья. В документах XVI–XVII веков подобные прозвища нередко встречаются среди крестьян и ремесленников, но Бухтиловы могли быть и служилыми людьми «по прибору» — например, стрельцами или казаками, которых записывали по прозвищу.

Важный нюанс: не путать с фамилией Бухтияров, которая восходит к тюркскому имени Бахтияр (означает «счастливый»). Бухтилов — исконно русская фамилия с прозрачной славянской этимологией, и попытки вывести её из восточных языков лишены оснований. В словаре Б. О. Унбегауна подобные модели разбираются как характерный пример «имен-характеристик», где прозвище переходило в фамилию без изменений, лишь с добавлением патронимического суффикса.

Сейчас фамилия встречается нечасто, но не является исчезающей. В современных телефонных справочниках и базах данных она фиксируется в основном в Кировской, Нижегородской и Свердловской областях, что подтверждает её северно-русское происхождение. Прозвище Бухтило могло также закрепиться за человеком, который «бухтел» — то есть говорил басом или монотонно, что в крестьянской среде не считалось оскорблением, а служило узнаваемой приметой.