Фамилия Гнилосир образована как прозвище, сложенное из двух корней: «гнил-» и «-осир». Вторая часть восходит к украинскому слову «сирий» — сырой. Получается «гнилой и сырой», то есть испорченный влажностью и гниением. Такая составная модель типична для прозвищ, характеризующих местность: скорее всего, прозвище Гнилосир получил человек, живший в сырой, болотистой низине, где всё преет и гниёт.

Фамилия Гнилосир — украинский вариант. Её русский аналог — Гнилосыров, и в начале XX века эта фамилия документирована. В архивах есть запись о Гнилосырове Александре Александровиче, родившемся в 1914 году в Хабаровске. Сравнение двух форм показывает, как диалектное произношение меняло финаль фамилии: в украинском «сырой» звучит как «сирий», отсюда — «Гнилосир», а в русском закрепилась форма с «-сыров».

Суффикс «-ов» в фамилии Гнилосыров указывает на принадлежность: «сын Гнилосыра». В украинской версии фамилия могла остаться без суффикса или оформиться как Гнилосир (то есть прямым прозвищем, перешедшим в фамилию). Такое явление — когда прозвище не обрастает патронимическим суффиксом — встречается в украинской ономастике чаще, чем в русской.

Фамилия редкая, и её носители, вероятно, были выходцами из лесных или болотистых районов Полесья, где влажный климат определял и быт, и прозвища. Говорить о сословной принадлежности по одной фамилии сложно, но прозвища такого типа обычно давали крестьянам — по характерной примете места жительства.