Фамилия Гавриилов образована от крестильного имени Гавриил, которое пришло на Русь вместе с христианством из древнееврейского языка и означает «сила Божья» или «Божья крепость». Это имя носил один из архангелов, что обеспечило имени широкую популярность в православной среде, а фамилии на его основе — устойчивость и распространение по всей территории России.

Словообразовательная модель здесь стандартная и прозрачная: к основе имени Гавриил прибавляется суффикс -ов, указывающий на принадлежность. Первоначально Гавриилов — это отчество, то есть «сын Гавриила». Со временем, к концу XVII — началу XVIII века, отчества закрепились как наследственные фамилии, и потомки человека по имени Гавриил стали носить фамилию Гаврииловы. В отличие от фамилий на -ин, которые образуются от основ на -а/-я, суффикс -ов присоединяется к основам на твёрдый согласный, что и произошло.

Стоит обратить внимание на редкую особенность: в фамилии сохранилось полное церковное звучание имени — Гавриил, а не его народные, обиходные формы, такие как Гаврила или Гаврюха. От этих вариантов образовались другие фамилии — Гаврилов, Гаврюшин, Гаврилин. Гавриилов же в этом ряду стоит особняком и указывает на то, что предок носителя фамилии, скорее всего, был человеком книжным, возможно, связанным с церковной средой, где полное имя было нормой. В крестьянской среде чаще использовали усечённые формы, поэтому фамилия Гавриилов встречается реже, чем её «народный» аналог Гаврилов.

Исследователи русских фамилий, в частности Б. Унбегаун в своём труде «Русские фамилии», отмечают, что фамилии, сохранившие полную форму имени, нередко бытовали в среде духовенства. Эта версия подтверждается и тем, что в семинарской практике часто давали фамилии по имени святого или по церковному празднику, не сокращая имя. Таким образом, носитель фамилии Гавриилов мог происходить из семьи священников, дьяконов или причетников, где имя Гавриил передавалось из поколения в поколение.

Географически фамилия не имеет узкой локализации — она встречается по всей центральной России, но с заметной концентрацией в Поволжье и северных областях, где церковная традиция была особенно сильна. Встречается и вариант написания с одной «и» — Гаврилов, но это уже совсем другая история.