Фамилия Кантамирова — редкий случай, когда тюркская основа и русская модель фамилии образовали устойчивую форму со своей историей. Суффикс -ов, типичный для русских фамилий, указывает на принадлежность к роду, но основа «Кантамир» почти наверняка восходит к имени или прозвищу тюркского происхождения.

Наиболее вероятная версия — от имени Кантемир (или Кан-Темир), которое переводится с тюркского как «кровь Тимура» или «железная кровь». Само имя было широко распространено среди народов, испытавших влияние Золотой Орды и её наследников — ногайцев, кумыков, карачаевцев, балкарцев. В осетинской среде, где фамилия тоже встречается, она могла закрепиться через контакты с кавказскими тюрками. В русских документах XVII–XVIII веков фиксировали форму «Кантемиров», а вариант «Кантамиров» — результат местного произношения или адаптации в письменных источниках.

Есть и другая, менее убедительная гипотеза: связь с молдавским родом Кантемиров (господари Дмитрий и Антиох Кантемиры). Но их фамилия имеет румынское происхождение (от «cântă» — «петь») и писалась с «е» — Кантемир. В русском языке она закрепилась с тем же корнем, но для фамилии Кантамирова с «а» в первом слоге тюркская версия выглядит правдоподобнее, учитывая, где чаще всего встречаются носители — на Северном Кавказе и в Поволжье.

Женская форма Кантамирова указывает на то, что мужская версия — Кантамиров. Оба варианта нечасты: носителей по России — несколько тысяч, большинство в Кабардино-Балкарии, Карачаево-Черкесии и Осетии. Фамилия не получила дворянского статуса в имперской России, её носили в основном крестьяне и казаки — предки были, скорее всего, воинами или скотоводами, а имя Кантемир давали в честь воинской доблести.