Фамилия Космарева — женская форма от Космарев, а та, в свою очередь, от мужского прозвища Космарь. Разбирать её стоит с корня «косм-», который в русских говорах имел два основных значения. Первое и самое очевидное — «космы», то есть длинные, спутанные, торчащие в разные стороны волосы. Космарем могли прозвать лохматого, неопрятного человека или того, кто, наоборот, нарочно носил длинные волосы, не стригся. Второе значение — диалектное, связанное с ремеслом. В некоторых областях «космачом» или «космарем» называли того, кто делал или чинил косы — сельскохозяйственные орудия для косьбы. Это кузнец-специалист по ковке и правке лезвий, ремесленник довольно востребованный в крестьянском быту.

Модель образования типична для русских фамилий: основа прозвища (Космарь) плюс притяжательный суффикс -ев (в форме Космарев — «сын Космаря»). Суффикс -арь в основе указывает на лицо по действию или характерному признаку, так что прозвище было не случайным, а устойчивым. Фамилия Космарев (и её женский вариант) встречается преимущественно в центральных и южных регионах России, особенно в бывших Орловской, Курской, Тамбовской губерниях, где диалектное слово «космарь» было в ходу.

Спорных версий происхождения практически нет — корень прозрачен. Единственное, что может сбить с толку, это созвучие с греческим словом «космос», но связывать русскую фамилию Космарева с космосом или греческим Косьмой (Кузьмой) неверно: это разные корни и разная народная этимология. Правдоподобнее всего, что предок носительницы фамилии был либо лохматым человеком, получившим прозвище по внешности, либо деревенским кузнецом, правившим косы. Оба варианта — из крестьянской или ремесленной среды, без аристократического оттенка.

В написании фамилия устойчива: с одной буквой «с» и ударением, скорее всего, на втором слоге: Косма́рева. Вариант через два «с» (Коссмарева) — результат поздней ошибки или искусственного облагораживания, в документах почти не встречается.