Фамилия Кармилаев — редкая и неочевидная с точки зрения происхождения. В ней нет привычного суффикса -ов или -ин, который сразу указывает на отчество или прозвище отца. Здесь мы видим суффикс -аев, который в русской ономастике обычно появляется в фамилиях, образованных от основ на мягкий согласный или на -а. Чаще всего такие фамилии имеют тюркские или восточные корни, где -ай (-а) является распространённым компонентом имени или прозвища.

Основа фамилии — «Кармил». Скорее всего, это искажённое или адаптированное на русской почве личное имя. Можно выделить две основные версии происхождения. Первая, наиболее вероятная, связывает фамилию с тюркским именем Кармыш или Кармышбай. В тюркских языках корень «кар» может означать «снег» или «смотреть, наблюдать», а суффикс -мыш указывает на причастие прошедшего времени. Имя Кармыш могло означать «смотревший», «наблюдательный» или быть прозвищем человека с сединой (как снег). При переходе в русскую среду имя Кармыш через форму Кармыл (с заменой -ш на -л, что встречается при адаптации) дало фамилию Кармилаев.

Вторая версия — от библейского или христианского имени Кармил (редкая форма имени Кармилий, восходящего к горе Кармил в Израиле). Однако эта версия слабее: такие имена были крайне редки в крестьянской среде, а фамилия не имеет характерного для церковных имён суффикса -ский или -ин.

Географически фамилия Кармилаев тяготеет к южным регионам России и Поволжью, где исторически было сильное тюркское влияние (татары, башкиры, чуваши). Встречается она и у русских, но как наследие смешанных браков или переселений. Носители фамилии, скорее всего, происходят из служилых людей или крестьян, которые получили фамилию по имени или прозвищу родоначальника. Точных сведений о сословной принадлежности нет, но суффикс -аев указывает на недворянское, народное происхождение.

В целом, фамилия Кармилаев — пример того, как тюркское личное имя, пройдя через русскую языковую среду, превратилось в устойчивую фамилию, сохранившую память о своём восточном корне.