Фамилия Карловы (в мужском роде — Карлов) образована по одной из самых распространённых в русской ономастике моделей: к основе, имени или прозвищу, добавлялся суффикс -ов, указывающий на принадлежность («чей?»). Значит, предок носителей этой фамилии был человеком по имени Карл.

Имя Карл для русского быта нехарактерно. В святцах его нет, поэтому крестильным оно быть не могло. Скорее всего, предок Карловых был либо иностранцем (шведом, немцем, голландцем), либо русским, получившим такое прозвище — например, за связь с иноземцами или за упрямый, «королевский» нрав (ведь Карл — с древнегерманского «свободный человек», а в истории Европы это имя носили многие короли). В XVI–XVII веках в Москве селилось много мастеров и военных из Европы, и их дети, принимая православие, нередко получали фамилию по отцовскому имени.

Одна из известных носительниц этой фамилии — Наталия Фёдоровна Карлова (1858–1921). Будучи фрейлиной великой княгини Екатерины Михайловны, она стала морганатической женой герцога Георга Мекленбург-Стрелицкого. Её случай показывает, что фамилия Карловы бытовала не только в купеческой или мещанской среде, но и в придворных кругах, хотя корни её, скорее всего, были скромнее.

Если говорить о географии, то фамилия встречается в центральных областях России, а также на северо-западе — в регионах, где исторически было сильнее влияние немецких и шведских общин. Встречаются и однокоренные варианты: Карлович (польско-белорусская модель), Карлин (от женского имени Карла или уменьшительной формы Карля), а также украинская форма Карленко.

Точное время возникновения фамилии Карловы установить сложно: процесс фамилизации в России шёл несколько столетий. Но ясно одно: эта фамилия — не просто запись в документах, а свидетельство культурного контакта, когда иноземное имя прижилось на русской почве и дало начало целому роду.