Фамилия Космачева (и её вариант Космачёва) напрямую связана с внешностью человека. В основе лежит древнерусское прозвище Космач, которое давали обладателю густой, растрёпанной шевелюры — от слова «космы», то есть длинные, спутанные волосы или кудри. Прозвище это было не обидным, а скорее описательным: им могли назвать и неопрятного человека, и того, кто просто выделялся пышной причёской.

Историк С. Б. Веселовский в своих ономастических трудах зафиксировал ранние упоминания: Григорий Космач жил в 1470 году в Кашине, а Семён (Семейка) Космачев встречается в документах 1610 года. Эти записи подтверждают, что прозвище было распространено в северо-восточных русских землях ещё в XV–XVII веках.

Словообразовательная модель типична для русских фамилий: суффикс -ев (или -ёв под ударением) присоединяется к основе Космач-, указывая на принадлежность — «сын Космача». Форма Космачева — это женский вариант фамилии, который в русской традиции закрепился как наследуемый по отцу.

Интересно, что фамилия не имеет отношения к церковному имени Косма (от греческого «космос» — мир, порядок). Это чисто бытовое, «мирское» прозвище, которое давали в повседневной жизни, не связывая с крестильным именем. Поэтому Космачевы, скорее всего, вели свой род от человека, которого окружающие запомнили по его буйной или просто заметной шевелюре.