Фамилия Карлышев — пример того, как прозвище или иностранное имя легло в основу русской родовой фамилии. В её словообразовании видна типичная модель: суффикс -ев (фонетический вариант -ов после мягкого согласного) присоединился к основе Карлыш. Такая схема означает «сын (или потомок) Карлыша», что характерно для большинства русских фамилий.

Корень фамилии допускает два основных толкования. Первое ведёт к нарицательному «карла» — уменьшительной форме от «карлик». В этом случае прозвище Карлыш могли дать человеку невысокого роста. Вторая гипотеза связывает основу с именем Карл. В русской среде это имя не было распространено, поэтому предок-носитель такого имени мог быть выходцем из Германии, Швеции или Прибалтики. Прозвище Карлыш тогда стало русифицированной формой имени Карл, а фамилия закрепилась за его потомками.

Обе версии имеют право на существование, но первая — с прозвищем от роста — кажется более естественной для крестьянской или посадской среды, где фамилии часто возникали из бытовых характеристик человека. Иностранное происхождение предка тоже возможно, но требует дополнительных документальных подтверждений для конкретной ветви рода.

География фамилии не привязана к одной области: Карлышевы встречаются и в центральных регионах России, и в Поволжье, и в Сибири. Точное время возникновения назвать сложно — как и у большинства фамилий, процесс их закрепления растянулся на несколько столетий, с XVI по XIX век. Фамилия сохранила в себе либо память о внешности далёкого предка, либо след межнациональных контактов в истории рода.