Фамилия Карцов звучит неожиданно современно, но её корни уходят в древнерусскую обиходную лексику. Вопреки возможной ассоциации с карликом, основа здесь другая. Самая вероятная версия связывает фамилию с диалектным словом «карец» — так в северных и центральных говорах называли ковш, черпак или деревянную меру для сыпучих тел. Человек по прозвищу Карец мог быть либо мельником, отмерявшим зерно, либо бочаром, делавшим эти ковши, либо просто обладателем крупного, «черпающего» рта.

Модель образования проста: к основе «Карец» добавили патронимический суффикс -ов, что значит «сын Кареца» или «потомок человека по прозвищу Карец». Звук «е» в корне под ударением перешёл в «ё» (как «ведро» — «вёдра»), а на письме закрепилось написание через «ё» — Карцов. В дореволюционных документах фамилию могли писать и как Карцев, но современная орфография выбрала вариант через «о».

Менее распространённая, но лингвистически возможная гипотеза возводит фамилию к крестильному имени Карп. В этом случае Карцов — это стяжённая форма от Карпов, где суффикс -ц- появился как уменьшительный: Карп → Карец → Карцов. Однако эта версия спорна: обычно от имени Карп образовывали фамилию Карпов или Карпин, а «Карец» в значении «маленький Карп» — форма редкая и не зафиксированная в источниках как устойчивое прозвище.

Фамилия почти не встречается за пределами России и не имеет дворянских ответвлений с гербами. Карцовы — это в основном крестьяне и мещане центральных губерний, особенно Владимирской и Ярославской. В XIX веке фамилия была распространённой, но не массовой: её носители занимались ремёслами, торговлей или земледелием. В советское время фамилия стала реже из-за общего сокращения частотных фамилий, но сохранилась в нескольких компактных гнёздах, например в Костромской области.

Среди однокоренных фамилий — Карцев (то же значение, но с другим написанием), Карцовский (с польско-украинским суффиксом -ский) и редкая Карцова. Все они отсылают к одному прозвищу, связанному с мерой, ковшом или ремеслом.