Фамилия Кантомиров — редкий случай, когда географическая привязка почти наверняка перевешивает любую другую версию. В основе лежит топоним Кантомир — название села в современной Молдове (Кантемир) и, что важнее, посёлка городского типа Кантемировка в Воронежской области России. Фамилия образована по стандартной русской модели с суффиксом -ов, который в данном случае указывает на принадлежность: «сын человека из Кантомира» или «выходец из Кантомира».

Однако здесь есть лингвистический нюанс. Название Кантемир (Кантомир) имеет тюркское происхождение: от «кан» (кровь) и «темир» (железо), что в сумме даёт «кровавое железо» или «железная кровь» — характерное для кочевников имя-прозвище, означающее воина, стойкого в бою. В молдавском контексте это имя носил господарь Дмитрий Кантемир, чья фамилия закрепилась в топонимике. Таким образом, Кантомиров — это не фамилия от имени предка, а от названия населённого пункта, который, в свою очередь, получил имя от знатного рода или от тюркского прозвища.

В русских документах Кантомировы встречаются в основном в южнорусских губерниях — Воронежской, Курской, Ростовской области. Это крестьянские и однодворческие фамилии, возникшие в XVIII–XIX веках, когда после русско-турецких войн в эти края переселяли людей, а новые сёла называли в честь военных деятелей или старых молдавских топонимов. В отличие от фамилий на -ский (Кантемирский), которые чаще носили дворяне или духовенство, суффикс -ов указывает на простое сословие: предки Кантомировых были, скорее всего, государственными крестьянами или однодворцами, обслуживавшими южные рубежи.

Встречается и вариант написания «Кантемиров» — он более частый и «книжный», связанный с фамилией князей Кантемиров. Форма через «о» (Кантомиров) — народная, диалектная, отражающая акающее произношение южных говоров: «Кантомир» вместо «Кантемир». Именно этот вариант фамилии — живая запись того, как крестьяне на слух передавали название своего села, не сверяясь с официальной орфографией.