Фамилия Черномызая — редкий случай, когда прозвище застыло в женской форме, не перейдя в стандартную модель на -ов или -ин. В русской традиции фамилии на -ая/-яя чаще всего были «географическими» (Московская, Тверская) или указывали на принадлежность к женской линии в семьях, где прозвище закрепилось за вдовой или хозяйкой. Но Черномызая — иного корня.

Основа здесь — прозвище «Черномызый». В диалектах «мыза» имеет несколько значений: от хутора или отдельной усадьбы (в северо-западных говорах, под влиянием прибалтийско-финских языков) до грязи, нечистот или, в переносном смысле, неряшливого человека. «Черномызый» могло означать либо владельца чёрной, то есть закопчённой или грязной мызы-усадьбы, либо человека с тёмным лицом, перепачканного сажей или землёй. Второе значение — «черномазый» (смуглый, чумазый) — встречается в южнорусских говорах, где «мызать» значило пачкать.

Фамилия закрепилась в форме прилагательного женского рода. Такое окончание —ая характерно для фамилий южнорусского и украинского происхождения, а также для казачьих фамилий (например, Безродная, Кривая). Встречается она в основном на юге России (Курская, Белгородская области) и на Украине, где окончание -ая сохранялось в документах при переписях. Мужчины с такой фамилией в быту могли писаться как Черномызый, но в метриках и ревизских сказках часто фиксировали форму, данную при рождении или замужестве.

Словообразовательно фамилия уникальна: суффикс -ыз- редок, он скорее указывает на глагольную основу («мызать» — пачкать, возиться в грязи), чем на существительное «мыза». Поэтому версия о «чёрной усадьбе» менее вероятна: для такого значения больше подошло бы Черномызский или Черномызов. Прозвище Черномызый — это, скорее всего, характеристика внешности или поведения: чумазый ребёнок, работник у горна или печи, либо человек, не следивший за чистотой.

Среди однокоренных фамилий — Мызин, Мызников (от «мыза» — усадьба или от «мызать» — пачкать), Черномазов (более распространённый вариант). Черномызая — более архаичная и редкая форма, сохранившая прямую связь с исходным прозвищем без посредства патронимического суффикса.