Фамилия Косьминов — редкий пример отчества третьего порядка, то есть она указывает не на внука, а на правнука человека по имени Косьма. Схема образования здесь двухступенчатая: сначала от имени Косьма (народная форма канонического Косма) появилось отчество Косьмин — «сын Косьмы». Затем от этого отчества образовали новое: Косьминов — буквально «сын Косьмина». Такие «внучатые» фамилии на –инов встречаются гораздо реже, чем обычные на –ов и –ин, и обычно возникали в тех случаях, когда нужно было точнее обозначить человека в большой семье или избежать совпадений с однофамильцами.

Исходное имя Косьма — русская адаптация греческого имени Космас, которое переводится как «украшение», «порядок», «мироздание». В православных святцах это имя связано с двумя известными святыми: братьями-бессребрениками Космой и Дамианом, покровителями врачей и ремесленников. Поэтому предок Косьминовых мог получить имя Косьма не только по святцам, но и в честь этих целителей — отсюда возможная связь с врачеванием или кузнечным делом (Кузьма-Демьян считались покровителями кузниц).

По суффиксу фамилия тяготеет к центральным и северным русским говорам: модель на –инов характерна для владимирских, ярославских, костромских земель. На юге и западе России чаще встречалась бы форма Косьминов с ударением на другой слог или фамилия Кузьминов — от более распространённого варианта Кузьма. Именно написание через «о» (Косьминов, а не Кузьминов) выдает книжное, церковное происхождение: в метрических книгах и документах XIX века имя часто записывали как Косьма, следуя церковнославянской традиции, а в быту говорили Кузьма. Таким образом, фамилия Косьминов могла закрепиться за потомками причетника, священника или грамотного крестьянина, чьё имя в документах неизменно писали «по-церковному».

Точное время возникновения фамилии установить сложно: процесс формирования русских фамилий растянулся на несколько столетий, и Косьминовы могли появиться как в XVII веке среди посадских людей, так и в XIX — среди бывших государственных крестьян, получивших фамилии при переписях. Сейчас это редкая фамилия, встречающаяся точечно в центральной России и в регионах, куда переселялись крестьяне из Владимирской и Костромской губерний.