Фамилия Карнильцев — редкий случай, когда в основе лежит не каноническое имя, а его народная, обиходная форма, причём с неочевидным суффиксальным оформлением. Разберём её по косточкам.

Корень здесь — Карнил, вариант имени Корнил (церковное Корнилий, от латинского cornelius — «рог»). В русских говорах звук [о] после твёрдых согласных нередко переходил в [а] под влиянием аканья: Карнил вместо Корнил. Такое написание — верный признак того, что фамилия закрепилась на южнорусской или среднерусской территории, где акали в речи.

Интересна модель образования. Суффикс -ев в фамилиях обычно присоединяется к основам на мягкий согласный или -й: Иванов (от Иван), Петров (от Пётр), но Карнильцев. Здесь мы видим цепочку: Карнил → Карнилец (прозвище или патроним в форме «сын Карнила») → Карнильцев («чей?» — сын Карнильца). Суффикс -ец в прозвищах часто указывал на происхождение или характерную черту: Карнилец мог означать «выходец от Карнила» или просто ласкательно-уменьшительную форму самого имени. Таким образом, фамилия — не прямое «отчество» от деда, а отчество от прозвища, которое уже произошло от имени.

В отличие от массовых Карниловых или Корниловых, форма Карнильцев встречается редко. Она концентрируется в регионах, где аканье было сильным, а народная традиция словообразования — активной: например, в бывших Рязанской, Тамбовской, Воронежской губерниях. Социальный срез — скорее крестьянская или мещанская среда, где фамилии на -цев нередко фиксировали не отчество, а прозвание двора или семьи.

В словарях фамилия не описана подробно, но её механизм прозрачен: перед нами «внук Карнильца», где Карнилец — это человек, носивший имя Карнил или связанный с ним по происхождению. Фамилия живёт за счёт того, что избежала стандартизации: вместо привычного -ов она сохранила архаичную, более личную форму.