Фамилия Колмагоровы, как и многие русские фамилии, образована от прозвища или географического названия. В основе лежит слово «Колмогор» — так в старину называли выходца из села Холмогоры (Архангельская область). Само село получило название от карельского «kolmikorva» — «три уха» (по форме мыса), но в русском языке оно быстро переосмыслилось как «холм» + «горы». В документах XIV века (1329 год) поселение упоминается именно как Колмогоры — с буквой «а» в первом слоге, что объясняет написание фамилии.

Суффикс -ов указывает на типичную модель русских фамилий-притяжательных: «чей?» — «Колмагоров», то есть сын или потомок Колмогора. Такие фамилии обычно закреплялись за крестьянами и посадскими людьми, которые переселялись на новые земли и получали прозвище по прежнему месту жительства.

Фамилия особенно распространена на Среднем Урале и в Зауралье. Это объясняется историей освоения региона: в XVII–XVIII веках правительство активно переселяло поморов и крестьян с Русского Севера на уральские заводы и в сибирские остроги. Именно холмогорские переселенцы принесли свою фамилию за Урал, где она закрепилась в форме Колмагоровы — с сохранением старого диалектного произношения.

Менее вероятная, но возможная версия связывает фамилию с прозвищем от диалектного «колмагора» — так в некоторых говорах называли неуклюжего, неповоротливого человека. Однако географическая привязка и массовость фамилии именно на Урале говорят в пользу «холмогорской» гипотезы.

Встречается также вариант написания через «а» во втором слоге — Колмагаров, но это более редкая форма, возникшая, скорее всего, под влиянием акающего произношения. Основной вариант — Колмагоров — точнее отражает историческую основу и происхождение фамилии.