Фамилия Кармалыга — один из тех редких случаев, когда в основе лежит не имя и не профессия, а гидроним, то есть название реки. Известно несколько рек под именем Кармала: это и правый приток Суры в её верховьях, и левый приток Большого Черемшана на Волге. Учёные связывают этот гидроним с татарским словом «карама» — «вязовая». Выходит, что прозвище Кармалыга мог получить переселенец, который покинул берега одной из этих рек и перебрался в другую местность — такой человек становился «кармалинским», «кармалыгой».

Словообразовательная модель здесь нестандартна. Суффикс -ыг(а) в русских фамилиях встречается редко, чаще он характерен для украинской и белорусской традиции, где придаёт прозвищу оттенок принадлежности или свойства («бедолага», «работяга»). В случае с Кармалыгой эта модель наложилась на тюркский корень: получилось прозвище, которое по-русски звучало как «человек с Кармалы».

В документах фамилия встречается преимущественно в южнорусских и поволжских губерниях, что косвенно подтверждает версию с переселением из бассейна Волги и Суры. В отличие от массовых фамилий на -ов и -ин, Кармалыга сохранила форму прозвища без патронимического суффикса — такие случаи чаще фиксировались у казаков и однодворцев, где прозвищная традиция держалась дольше, чем у крепостных крестьян.

Споров вокруг этимологии немного: альтернативная версия выводит основу из тюркского «карма» — «горсть» или «пригоршня», но она слабее, потому что не объясняет конечное -лыг-, которое прямо указывает на топоним. Так что с высокой вероятностью предки носителей фамилии Кармалыга жили по берегам реки с вязовыми лесами и при переезде получили прозвище по родным местам.