Фамилия Домитров — редкая и неочевидная с точки зрения происхождения. Она явно образована по русской модели с суффиксом -ов, но основа вызывает вопросы. Если бы это была фамилия от православного имени, логичнее было бы ожидать Дмитров (от Дмитрий). Наличие гласной «о» в первом слоге наводит на мысль, что перед нами не каноническая, а народная или диалектная форма.

Скорее всего, в основе лежит не имя, а прозвище или географическое название. В южнославянских языках, особенно в болгарском, слово «домит» (или «домит») могло означать «тот, кто дома», «домосед» — прозвище человека, который не любил отлучаться из хозяйства. При переселении болгар или сербов в Российскую империю, особенно в XVIII–XIX веках, такие прозвища русифицировались с помощью суффикса -ов, давая фамилию Домитров.

Другая версия, менее вероятная, — связь с латинским dominus (господин). В этом случае фамилия могла возникнуть в среде духовенства или в учебных заведениях, где семинаристам давали «благозвучные» фамилии на латинской основе. Но для такой гипотезы нет надёжных подтверждений: фамилия Домитров не фиксируется в типичных семинарских списках.

Географически фамилия встречается единично, преимущественно на юге России и в Беларуси, что косвенно подтверждает версию о южнославянском или западнорусском корне. В любом случае, предок первого носителя Домитрова был либо человеком, которого называли «домитом» (домоседом), либо выходцем из мест с похожим названием.