Фамилия Коростылева (встречается также написание через «ё» — Коростылёва) восходит к нецерковному имени Коростыль. В основе лежит название птицы коростеля (или, в народном произношении, коростыля). Это небольшая светло-рыжая птица размером с перепёлку, которую в разных регионах называли ещё дергачом: она обитает на влажных лугах, клеверных полях, лесных вырубках, а её скрипучий крик трудно спутать с другими звуками.

Древнерусские мирские имена из названий птиц — распространённая традиция. Давая младенцу имя Коростыль, родители надеялись, что природа примет ребёнка как своего, а к нему перейдут полезные качества, которыми наделён этот представитель животного мира: осторожность, умение прятаться в траве, приспособленность к жизни на земле. Менее вероятно, что фамилия образована от прозвища Коростыль, которое предок мог получить за скрипучий, резкий голос, напоминающий крик птицы.

Историк С. Б. Веселовский в своих ономастических работах упоминает однокоренные фамилии, зафиксированные в документах XVI века: Коростелёв Третьяк Леонтьевич (1568 год, Ярославль), а также Панкрат и Лева Коростелёвы Епихины (1579 год, Ряжск). Эти записи подтверждают, что фамилия бытовала на северо-востоке и в центральных областях России уже в допетровскую эпоху.

Модель образования типична: суффикс -ев (фонетический вариант -ов после мягкого согласного) присоединялся к основе имени или прозвища, образуя притяжательное прилагательное. Первоначально «Коростылев» означало «сын Коростыля», то есть потомок человека с таким мирским именем. Со временем фамилия закрепилась в женской форме Коростылева, которая сегодня может принадлежать как женщине, так и использоваться как вариант написания без изменения окончания.

В современном русском языке фамилия нередко пишется с буквой «ё» — Коростылёва, что точнее передаёт произношение исходного слова (коростёл — ударение на второй слог). Однако в документах чаще встречается вариант через «е», что связано с правилами оформления паспортных данных.