Фамилия Карлунов образована от имени или прозвища Карлун. В основе лежит распространённая модель с суффиксом -ов, который указывает на принадлежность: Карлунов буквально значит «сын Карлуна» или «человек из рода Карлуна». Само имя Карлун — это уменьшительно-ласкательная форма от крестильного имени Карл, которое пришло в русский язык через немецкое посредство и означает «свободный человек» или «мужчина». В дореволюционной России имя Карл встречалось нечасто, в основном среди горожан, обрусевших немцев или в среде духовенства, где иногда давали редкие святцевые имена.

Есть и другая версия: в некоторых говорах «карлун» или «карла» называли низкорослого человека, карлика. Прозвище могли дать невысокому мужчине, и оно закрепилось за его потомками. В пользу этой гипотезы говорит и то, что суффикс -ун в русских прозвищах часто служил для обозначения характерного признака или действия (например, болтун, крикун). Так что Карлун могло быть и чисто бытовым прозвищем, а не производным от имени.

Словообразовательный тип фамилии — типично русский, с патронимическим суффиксом -ов, что указывает на крестьянское или мещанское происхождение её первых носителей. В дворянской среде такие фамилии на -ов тоже встречались, но реже. В географическом плане фамилия Карлунов тяготеет к южнорусским и поволжским областям, где была заметна немецкая диаспора, но точных статистических данных по её распространению в открытых источниках немного. Известно, что в XIX веке носители фамилии фиксировались в Саратовской, Самарской и Воронежской губерниях.

Сравнение с однокоренными фамилиями — Карлов, Карлин, Карлушкин — показывает, что все они восходят к одному корню, но различаются суффиксами, которые придавали исходному имени или прозвищу разный оттенок: Карлов — прямое отчество от Карла, Карлин — от женского имени или прозвища Карла, а Карлунов — от более экспрессивной формы Карлун.