Фамилия Карлыкова — женская форма фамилии Карлыков. В русской традиции такие фамилии образованы по патронимической модели: от имени или прозвища отца с помощью суффикса -ов/-ев. Мужской вариант Карлыков, в свою очередь, восходит к основе «Карлык».

Самая вероятная версия происхождения — от тюркского прозвища или этнонима «карлык». В средневековых тюркских языках «карлык» означало «снежный человек» или относилось к племени карлуков — одному из крупных тюркских союзов, известному с VI–VIII веков. В русских говорах слово могло закрепиться как прозвище для человека со светлыми волосами или белокожего, либо для выходца из степных народов. Менее вероятна связь с русским диалектным «карла» (малорослый человек) — в таком случае фамилия писалась бы как Карликов.

Суффикс -ов указывает на то, что фамилия сложилась в центральных или южных регионах России, где эта модель была преобладающей среди крестьян и мещан. В северных и сибирских областях аналогичная фамилия могла бы звучать как Карлыкин (с суффиксом -ин). Географически фамилия Карлыков встречается в Поволжье, на Урале и в Западной Сибири — в зоне активных контактов русского и тюркского населения.

С точки зрения социального статуса, носители фамилии скорее всего были крестьянами или однодворцами — потомками служилых людей, которые несли сторожевую службу на южных и восточных рубежах. Фамилия не принадлежит к дворянским родам и не упоминается в родословных книгах. Прозвище Карлык могло закрепиться за конкретным человеком в XVI–XVII веках, а к XIX веку оформилось в наследственную фамилию.