Фамилия Карлова образована от мужского имени Карл. В русской традиции это имя не было распространено, поэтому его появление в основе фамилии указывает на иностранное происхождение предка: скорее всего, он был шведом, немцем или выходцем из другой европейской страны, где имя Карл (от древнегерманского karlaz — «свободный человек», «мужчина») было обычным. Потомка такого человека, носившего имя Карл, в русской среде стали записывать как Карлов, а для женщин и дочерей использовалась форма Карлова.

Модель образования проста: к основе Карл- добавили типичный русский суффикс -ов, указывающий на принадлежность («чей?» — Карлов). Окончание -а в женском роде закрепилось как стандартная форма для женщин в русских фамилиях. В отличие от фамилий на -ин или -ский, этот суффикс не даёт подсказки о социальном статусе предка — Карловыми могли быть и крестьяне, и мещане, и дворяне, если предок-иностранец успел интегрироваться в русское общество.

Интересная деталь: фамилия Карлова не имеет ничего общего с русским словом «карла» (устар. «карлик»), хотя внешне похожа. Это разные корни. Встречаются и однокоренные варианты — Карлов, Карлин, Карлович, но Карлова выделяется именно своей «женской» формой, которая в русской традиции почти всегда передавалась детям без изменений. Географически фамилия чаще встречается в регионах, где исторически были компактные поселения немцев или шведов — например, в Поволжье, Санкт-Петербургской губернии, а также на юге России, куда в XVIII–XIX веках приглашали иностранных колонистов.