Фамилия Фрейлов — один из тех редких случаев, когда русская фамилия образована от немецкого корня, но по русской словообразовательной модели. Основа здесь — немецкое слово «Frei» (свободный) или фамилия Фрей, а суффикс -ов указывает на принадлежность: «чей?» — Фрейлов, то есть потомок человека по прозвищу или фамилии Фрейль (Фрейль — вариант Фрея с мягким знаком). В русской среде немецкое окончание -е могло переосмысляться как -ель, отсюда форма «Фрейль», а затем и фамилия Фрейлов. Такой разбор — единственное логичное объяснение, так как в славянских языках корня «фрей» нет, а суффикс -лов встречается редко и обычно вторичен.

Вероятнее всего, фамилия возникла в среде обрусевших немцев или выходцев из Прибалтики, которые в XVIII–XIX веках поступали на русскую службу или переселялись в Поволжье. Немецкая фамилия Фрей (Frei) или Фрейман (Freimann) давала прозвище «Фрейль», а в русском быту его русифицировали через патронимический суффикс. Менее правдоподобна версия происхождения от немецкого «Freude» (радость) — слишком далекая фонетика. Также не стоит путать с фамилией Фрёлов (от Фрол), это совсем другой корень.

Географически фамилия Фрейлов редкая, встречается в основном в центральной России и в Поволжье, что подтверждает связь с немецкими колониями. В документах XIX века носители могли быть мещанами или крестьянами, но не дворянами — дворянские немецкие фамилии обычно сохраняли оригинальное написание (фон Фрей, Фрей). Таким образом, Фрейловы — пример того, как иноязычное прозвище адаптировалось к русской фамильной системе, причем довольно поздно, уже в XIX веке, когда суффикс -ов стал универсальным для всех сословий.