Фамилия Карлышев образована по одной из самых распространённых в русском языке моделей: от прозвища или имени, оканчивающегося на согласный, с помощью суффикса -ев. Если основа оканчивалась на твёрдый согласный, обычно добавляли -ов, но здесь корень «Карлыш» — мягкий шипящий, отсюда и суффикс -ев. Такая деталь сразу указывает на восточнославянское происхождение фамилии, несмотря на возможную иноязычную основу.

Самая прямая версия связывает фамилию с прозвищем Карлыш. В русских говорах «карла» — уменьшительная форма от «карлик», то есть человек маленького роста. Прозвище Карлыш могли дать невысокому мужчине, и оно закрепилось за его детьми. Однако есть и более сложная гипотеза: поскольку имени Карлыш в православных святцах нет, исследователи допускают, что в основе лежит западное имя Карл. Так могли прозвать сына иностранца (шведа, немца или другого европейца), и на русской почве имя трансформировалось в Карлыш — с уменьшительно-ласкательным суффиксом -ыш, как, например, в фамилиях Серёгин или Иванышев.

Словообразовательный анализ подтверждает, что фамилия недворянская, а крестьянская или мещанская: суффикс -ев в сочетании с прозвищной основой типичен для фамилий простонародья, которые окончательно закрепились в XIX веке после отмены крепостного права. В ономастических справочниках (например, в работах Б. Унбегауна) такая модель описывается как «патроним от прозвища», без указания на сословную привилегию.

Регионально фамилия Карлышев встречается в Поволжье и на Урале, что косвенно подтверждает версию о контактах с инородцами или переселенцами. Встречаются также варианты написания с одной «л» — Карышев, но в исходной форме двойная «л» сохраняет связь с именем Карл. Таким образом, предок носителя фамилии мог быть либо невысоким человеком, получившим прозвище от слова «карла», либо сыном иностранца по имени Карл, чьё имя русифицировали через уменьшительную форму.