Фамилия Кармилаева — редкая и неочевидная с точки зрения происхождения. Если отбросить случайные или иноязычные версии, наиболее правдоподобным выглядит её образование от личного имени или прозвища Кармилай. Основа здесь — тюркское «кармы» (смешанный, помесь) или «карма» (в значении «смешивать»). В тюркских языках «кармы» могло указывать на человека смешанного происхождения, метиса, либо на того, кто «смешивал» разные роды занятий, был универсалом. Суффикс -лай в прозвищах характерен для поволжско-татарской и башкирской антропонимии: он придаёт слову оттенок действия или свойства (сравните: «йыуылай» — тот, кто моется). Таким образом, Кармилай — это «тот, кто смешан» или «смешивающий».

Окончание -ева указывает на принадлежность: «из рода Кармилая». По этой модели в XVI–XIX веках образовано множество фамилий у народов Поволжья и Приуралья, особенно у татар и башкир, которые принимали русскую фамильную форму. Фамилия могла писаться и как Кармилаев, но женская форма на -а закрепилась в документах, если родоначальником был мужчина Кармилай.

Географически фамилия встречается в единичных записях, в основном в Оренбургской области и Башкортостане — регионах, где веками жили тюркские и финно-угорские народы, смешиваясь с русским населением. В дореволюционных метрических книгах её почти нет, что говорит о позднем оформлении — скорее всего, фамилия закрепилась в советское время при паспортизации, когда прозвище превратили в наследственное имя рода.

Вторая, менее вероятная версия — связь с арабским «карми» (щедрый, благородный) через суффикс -лай. Но в таком случае ожидалось бы звучание «Кармиев» или «Кармилов», а не «Кармилаев». Поэтому тюркская гипотеза выглядит убедительнее: предки носителя фамилии, скорее всего, были тюркоязычными крестьянами или ремесленниками из южного Приуралья, получившими фамилию по характерному прозвищу.