Фамилия Холодильникова — наглядный пример того, как русская фамилия может быть образована от названия предмета, который в прошлом выглядел иначе, чем сейчас. Основа здесь — «холодильник», но не в современном значении «бытовой электроприбор». В XVII–XIX веках холодильником называли погреб, ледник или специальный деревянный ящик со льдом для хранения скоропортящихся продуктов. Такой ящик мог быть и у зажиточного крестьянина, и у купца, и у помещика.

Словообразовательная модель типична для русских отчествообразующих фамилий: суффикс -ов- указывает на принадлежность («чей?»). Холодильников — сын или потомок человека, которого прозвали Холодильником. Прозвище давали либо тому, кто делал такие ледники (ремесленнику-бондарю или плотнику), либо владельцу большого погреба, либо человеку с холодным, невозмутимым характером. Женская форма Холодильникова — это вариант для замужней женщины или дочери, образованный по тому же принципу, что и у тысяч русских фамилий.

Географически фамилия не привязана к одному региону: она встречается и в центральных областях России, и на Урале, и в Сибири. Это связано с тем, что профессия или прозвище были понятны везде, где строили ледники. Сравните с однокоренными фамилиями Холодов, Холодный, Холодков — все они восходят к понятию холода, но Холодильникова выделяется конкретным предметным значением.

В отличие от более массовых фамилий вроде Кузнецов или Попов, Холодильникова встречается реже. Это не дворянская фамилия — она возникла в крестьянской или мещанской среде, где прозвища часто переходили в фамилии без участия официальной бюрократии. В документах XVIII–XIX веков такую фамилию могли записать как Холодильниковъ, с твердым знаком на конце, что характерно для дореволюционной орфографии.