Фамилия Карлсаков — редкий пример, в котором скандинавское личное имя соединилось с русским патронимическим суффиксом. В основе лежит имя Карл (древнескандинавское Karl — «свободный человек», «муж»). В России это имя получило хождение в эпоху Петра I и в XVIII веке, когда в страну приезжало много шведских и немецких специалистов, а также в связи с обрусением прибалтийских немцев. Форма Карлсак — это нестандартное производное: скорее всего, от имени Карл с помощью уменьшительного или обиходного суффикса -сак (по аналогии с русскими формами вроде Максак от Максим). Затем к этому прозвищу добавили фамильный суффикс -ов, который в русской традиции указывал на принадлежность: «сын Карлсака».

Главная особенность фамилии — её позднее происхождение и нерусская основа. В отличие от массовых крестьянских фамилий на -ов, образованных от православных имён (Иванов, Петров), Карлсаковы могли появиться в среде обрусевших иностранцев или их потомков, а также в тех регионах, где было сильное немецкое или шведское влияние (Прибалтика, Санкт-Петербургская губерния, Поволжье). Встречаются единичные случаи записи фамилии через «ц» — Карлцаков, что может отражать немецкое произношение.

Фамилия не имеет отношения к тюркским или кавказским языкам, несмотря на внешнее сходство с окончанием -саков. Это чисто русская словообразовательная модель, приложенная к западноевропейскому имени. Носители фамилии, скорее всего, происходили из городских сословий или из среды военных, где контакты с иноземцами были обычным делом. В дореволюционных списках фамилия встречается редко, что подтверждает её локальный и элитарный характер.