Фамилия Кантемиров — один из тех случаев, когда фамилия напрямую связана с титулованным родом, а не просто с прозвищем. В её основе лежит тюркское составное имя Хантимер. Первая часть, хан, с древнетюркского и татарского означает «повелитель, властелин», вторая — тимер — «железо, железный». Скорее всего, родители, называя так сына, желали ему и власти, и крепкого здоровья. Однако история этой фамилии не ограничивается лингвистикой: Кантемиры — старинный княжеский род, ведущий начало от болгарского татарина по имени Кантемир, который в 1540 году переселился в Молдавию и принял христианство. Его потомки пользовались титулом князя, который никогда не оспаривался, и считались природными князьями. Праправнук родоначальника, Константин Федорович Кантемир, после низложения князя Дмитрия Кантакузина стал господарем Молдавии. Его сыновья — Антиох Константинович Кантемир и Дмитрий Константинович Кантемир — в 1711 году перешли на сторону Петра I, и за заслуги Кантемир получил титул «светлости».

С точки зрения словообразовательной модели, фамилия Кантемиров образована по стандартному русскому патронимическому суффиксу -ов, который добавляется к основе, оканчивающейся на твёрдый согласный (в данном случае к Кантемир). Это указывает на то, что фамилия закрепилась в русской среде уже после того, как род вошёл в состав российского дворянства. Если бы фамилия формировалась в тюркской среде, она, скорее всего, имела бы другой суффикс (например, -оглы). Таким образом, Кантемиров — это не просто калька с тюркского прозвища, а результат адаптации знатного молдавско-татарского рода к русской антропонимической системе.