Фамилия Карлыгачева происходит от тюркского женского имени Карлыгач. В переводе с татарского и ряда других тюркских языков это слово означает «ласточка». Ласточка в народной культуре — символ весны, домашнего уюта и трудолюбия, поэтому имя могло даваться девочкам как пожелание лёгкости, красоты или хозяйственности.

В основе фамилии лежит не крестильное, а доисламское или народное имя, что указывает на возможную связь предков с тюркской или татаро-башкирской средой. Суффикс «-ев» (вариант «-ов» после мягкой основы) указывает на типичную русскую модель образования фамилий: сначала появилось отчество — «чей сын?» — Карлыгачев, то есть сын Карлыгача. Со временем отчество закрепилось как наследственная фамилия. Женская форма Карлыгачева возникла естественным путём как вариант для замужних женщин и дочерей.

Процесс формирования фамилий у разных сословий шёл неравномерно. У крестьян и мещан фамилии часто фиксировались только в XVIII–XIX веках, поэтому точно определить, когда и где именно возник род Карлыгачевых, можно лишь по конкретным генеалогическим записям — метрическим книгам, ревизским сказкам или переписям. Для носителей фамилии это открывает возможность: поиск в архивах Поволжья, Приуралья или Сибири может дать более точную географическую привязку.

Слово «карлыгач» встречается не только в татарском, но и в казахском, киргизском, башкирском языках. Поэтому нельзя исключать, что фамилия могла возникнуть в среде разных тюркских народов, а затем русифицироваться при переходе в русское делопроизводство. В любом случае, фамилия редкая и несёт в себе яркий природный образ, что отличает её от более частых «птичьих» фамилий вроде Соколов или Воробьёв, образованных от русских нарицательных названий.