Фамилия Космачев (встречается также вариант Космачёв) образована от прозвища Космач. В его основе — нарицательное слово «космы», то есть «густые кудри» или «растрепанные волосы». Прозвище могли дать человеку с пышной, неаккуратной шевелюрой, но не обязательно неряхе — обладатель густых волос тоже легко получал такое прозвище. Потомки Космача со временем закрепили за собой фамилию Космачевы.

Словообразовательная модель здесь типична для русских фамилий: суффикс -ев присоединяется к основе, оканчивающейся на шипящий (Космач). Это указывает на принадлежность к патронимическому типу — фамилия буквально означает «сын Космача». Аналогично образованы, например, Космачёв, Космаков, Космынин — все они восходят к тому же корню «косм-».

В диалектах слово «космач» могло иметь и переносные значения: так называли лохматого медведя или даже нелюдимого, угрюмого человека. Поэтому не исключено, что прозвище закрепилось за человеком с соответствующим характером или внешностью. Однако прямая связь с волосами остаётся основной и наиболее правдоподобной версией.

Фамилия Космачев встречается в разных регионах России, но чаще — в центральных и северных областях, где говоры сохранили слово «космы» в бытовом употреблении. В дореволюционных переписях она фиксируется среди крестьян и мещан, что неудивительно: прозвища по внешним приметам были распространены в среде простых людей.