Фамилия Карионова образована от мужского имени Карион — это русская форма греческого имени Харитон, что означает «щедрый», «милостивый», «одарённый благодатью». Переход начального «х» в «к» — характерная черта народного произношения: точно так же из Харитона получился Каритон, а затем и Карион. В старину имя Карион (или Карионка) встречалось в церковной и бытовой среде, хотя и не было столь распространённым, как его исходный вариант Харитон.

Суффикс -ов- указывает на типичную модель русских фамилий: Карионов — сын Кариона. Женская форма Карионова, соответственно, принадлежит женщине, чей отец или муж носил фамилию Карионов. Поскольку фамилия образована от полной формы имени, а не от прозвища или профессии, её носители, скорее всего, происходили из семей, где имя Карион передавалось по наследству, либо от священников, которые часто давали детям «календарные» имена.

В документах XVII–XVIII веков имя Карион фиксируется в среде духовенства и посадских людей. Например, известен Карион Истомин — книжник и поэт, живший на рубеже XVII–XVIII веков. Однако фамилия Карионов могла возникнуть и в крестьянской среде, где имя давали по святцам, а фамилию образовывали от имени отца. Географически фамилия чаще всего встречается в центральных и северных регионах России — в Вологодской, Костромской, Ярославской областях, где имя Карион было более употребительным.

Редкость фамилии в том, что она сохранила архаичную форму имени, не перешедшую в привычного «Харитонова». Если Харитоновых в России десятки тысяч, то Карионовых — значительно меньше, и это делает фамилию маркером определённого диалектного или семейного уклада. Есть и версия, что в некоторых случаях Карионов могло быть производным от прозвища Карион, данного человеку с кротким или щедрым нравом, но это лишь предположение: имя-основа здесь первична.

В написании фамилии стоит обратить внимание на ударение: в большинстве говоров оно падает на второй слог — Карио́нова, хотя в некоторых регионах встречается вариант Ка́рионова. Ошибки вроде «Корионова» или «Карионова» с одной «н» встречаются редко, так как корень легко узнаваем.