Фамилия Бутлеров — один из тех случаев, когда за привычным «дворянским» звучанием скрывается прозвище, связанное с едой и бытом. Основа здесь — слово «бутля», которое в старых русских говорах, особенно в южных и западных регионах, означало «бочонок», «бутыль», а иногда и «толстяк» (по сходству фигуры с бочкой). Соответственно, Бутлером в XVI–XVII веках могли прозвать либо бондаря — мастера, делавшего бочки и бутыли, либо человека плотного, коренастого телосложения. В некоторых диалектах «бутля» также значила «пузатый сосуд», что только укрепляет обе версии.

Модель образования типична для русских фамилий: суффикс -ов указывает на принадлежность — «сын Бутлера» или «из рода Бутлера». В отличие от фамилий на -ин, которые образуются от основ на -а/-я (Бутлин, если бы было «Бутля»), здесь сработала форма с конечным -ер, что встречается реже и часто выдает влияние польского или украинского языкового слоя. В польском «butla» — это бутыль, а «butlarz» — бочар; не исключено, что предок носителя фамилии был переселенцем с запада или жил на границе диалектов.

В сословном отношении Бутлеровы не были однозначно привязаны к крестьянству или дворянству. Известно, что в XIX веке эта фамилия встречалась и в купеческой среде, и среди разночинцев. Самый знаменитый носитель — химик Александр Михайлович Бутлеров — происходил из дворян Казанской губернии, но его род восходил к обедневшим помещикам, что типично для служилых людей, получивших фамилию от прозвища, а не от вотчины. В документах XVI–XVII веков фамилия не фиксируется, что косвенно указывает на её относительно позднее оформление — скорее всего, в середине XVII века.

В современной России фамилия редкая, но не уникальная. Её очаги — бывшие губернии Среднего Поволжья и южные области, где «бутля» была в ходу. Встречаются варианты написания Бутлеров и Бутлеровъ (до реформы орфографии), но без двойного т — это норма, так как основа «бутл-» не удваивает согласную. По сравнению с однокоренными Бутлиным, Бутовым или Бутягиным, Бутлеров выделяется именно этим западным оттенком в словообразовании, что делает его интересным объектом для тех, кто ищет в фамилии следы миграций предков.