Фамилия Кобыльцов — один из тех случаев, где прозвище перешло в фамилию почти без изменений, лишь обработавшись типичным патронимическим суффиксом. В основе лежит слово «кобыла», и сразу же возникает вопрос: кого так могли прозвать? Самая прямая версия — человека, который работал с лошадьми, возможно, конюха или извозчика. Однако прозвище Кобыла в старину давали не по профессии, а по внешности или характеру: так могли назвать рослого, грузного мужчину, либо, напротив, человека с длинным лицом и крупными зубами. В словаре древнерусских прозвищ Веселовского «Кобыла» — не редкость, и носили её люди разных сословий, от крестьян до бояр (вспомним Андрея Кобылу, родоначальника Романовых).

Суффикс -цов указывает на принадлежность: Кобыльцов буквально значит «сын Кобыльца». А Кобылец — это уменьшительная или уничижительная форма от Кобыла. То есть фамилия пошла не от прямого прозвища «Кобыла», а от его производной формы, что часто встречается в русской ономастике: сына Кобылы звали Кобыльцом, а его потомков — Кобыльцовыми. Такая модель образования (основа на -л + -ец + -ов) характерна для северных и центральных регионов России, где любили уменьшительные прозвища.

Есть и менее очевидная версия, которую приводят некоторые исследователи: связь с диалектным словом «кобылица» — так в некоторых говорах называли самку глухаря или тетерева. Тогда прозвище Кобылец мог получить охотник или человек, чем-то напоминавший эту птицу (например, глуховатый или с пёстрыми глазами). Но эта гипотеза слабее, потому что в письменных источниках XVII–XVIII веков фамилия Кобыльцов встречается почти исключительно в контексте крестьян и служилых людей, где конная тематика была повседневной.

Географически фамилия не привязана к одной области, но чаще фиксируется в старых переписях по Тверской, Ярославской и Вологодской губерниям. Встречается и вариант написания через «а» — Кабыльцов, что связано с акающим произношением. В дворянские родословные книги Кобыльцовы не попали — это фамилия преимущественно крестьянская и мещанская, без громких исторических персонажей, но с чётким, узнаваемым корнем, который не даёт затеряться в массе однотипных фамилий.