Фамилия Космаченко образована по распространённой в украинской и белорусской традиции модели: суффикс -енко указывает на родство по отцу, то есть «сын Космача». Такие фамилии особенно характерны для Левобережной Украины, Полтавщины и Черниговщины, где они закрепились в XVI–XVII веках. В основе лежит прозвище Космач — так в народе называли человека с длинными, распущенными волосами. В сибирских говорах слово «космач» имело дополнительный оттенок: простоволосый, то есть ходящий без шапки. Прозвище давали по внешней примете, и со временем оно заменило крестильное имя не только в быту, но и в официальных документах.

Слово «космач» — однокоренное с «космы», «косматый». В русских говорах у этого корня есть и переносные значения: так могли назвать лохматого зверя или даже неряшливого человека. Но для фамилии первично именно прямое описание внешности предка — длинноволосого мужчины, который не стригся или не носил головной убора по обычаю. Интересно, что в той же словообразовательной гнезде стоят фамилии Космаков, Космачев, Косматенко — все они восходят к тому же прозвищу, но с разными суффиксами.

С точки зрения лингвистики, фамилия Космаченко — типичный пример патронимической модели, где основа имени или прозвища отца становится базой для фамилии сына. Подобные фамилии на -енко в XIX веке массово фиксировались в ревизских сказках и метрических книгах южных губерний Российской империи. Сегодня носители Космаченко встречаются не только на Украине, но и в южных регионах России, куда фамилия попала вместе с переселенцами.