Фамилия Хамилов в большинстве случаев восходит к личному имени Хамил. В дореволюционной России это имя было распространено у тюркских народов, входивших в состав империи, и представляет собой одну из форм арабского имени Хамид (от корня «хамида» — хвалить, восхвалять). Имя Хамид (и его вариант Хамил) означает «восхваляющий Бога», «достойный похвалы». Фамилию образовали по русской патронимической модели: к основе Хамил добавили типичный суффикс принадлежности -ов, и получилось «сын Хамила».

Менее вероятная, но возможная версия связывает фамилию с прозвищем Хамило. В русских говорах слово «хамило» означало грубого, наглого человека. Однако эта гипотеза слабее: фамилии от прозвищ с таким корнем встречаются редко, а имя Хамил фиксируется в метрических книгах Поволжья и Приуралья, где русское и тюркское население жило рядом. Поэтому первая версия — основная.

Географически фамилия Хамилов чаще всего встречается в Татарстане, Башкортостане, Оренбургской и Самарской областях. Это подтверждает тюркское происхождение: предки носителей фамилии, скорее всего, были татарами или башкирами, принявшими православие или жившими в смешанных семьях. В XVIII–XIX веках такие фамилии нередко записывали русские священники, добавляя суффикс -ов к местным именам.

Написание фамилии устойчивое: Хамилов, с ударением на второй слог. В старых документах могли встречаться варианты Хомилов (под влиянием аканья), но они редки. Родственные фамилии — Хамидов, Хамидуллин, Хамитов — образованы от той же арабской основы, но с разными суффиксами.