Фамилия Чернобылова — женская форма фамилии Чернобылов, а та, в свою очередь, образована от прозвища Чернобыл. Основа здесь — не название печально известного города, а растение чернобыльник (полынь обыкновенная). В говорах его называли «чернобыл» или «чернобыль» из-за характерного тёмного, черноватого стебля.

Прозвище Чернобыл в старину давали человеку по двум основным сценариям. Первый — внешний: так могли прозвать смуглого, черноволосого или просто очень худого и высокого человека, который ассоциировался с этим высоким, жилистым сорняком. Второй — бытовой: прозвище могло закрепиться за травником, знахарем, который собирал и использовал полынь в лечебных целях, либо за тем, кто жил в местности, густо заросшей чернобыльником.

Суффикс -ов- указывает на стандартную русскую патронимическую модель: Чернобылов — это «сын Чернобыла». Фамилия встречается преимущественно в центральных и южных регионах России, где чернобыльник — обычное растение, а также фиксируется на Украине и в Беларуси. В отличие от многих «растительных» фамилий, у этой есть редкая особенность: после чернобыльской аварии 1986 года носители фамилии нередко сталкивались с неловкими вопросами или даже попытками сменить фамилию, хотя этимологически она не имеет к катастрофе никакого отношения.

В документах XVII–XVIII веков встречаются крестьяне и однодворцы с фамилией Чернобыловы, например, в Курской и Воронежской губерниях. В дворянских родословных эта фамилия не зафиксирована — она оставалась в крестьянской и мещанской среде. Слово «чернобыл» в некоторых диалектах также обозначало растение таволгу, но эта версия менее распространена.