Фамилия Космодемьянова — редкий случай, когда сложное и книжное по происхождению слово стало русской фамилией. Её основа — имя Косма и Демьян, а точнее, соединение двух имён святых братьев-бессребреников Космы и Дамиана. В народной речи их имена звучали как Кузьма и Демьян, отсюда фамилии Кузьмин, Демьянов, Кузьмодемьянский. Космодемьянова — форма, закрепившаяся в церковной, а затем и в официальной среде.

Словообразовательная модель указывает на притяжательное значение: суффикс -ов-/-ев- в фамилии Космодемьянов (женская форма — Космодемьянова) означает «сын человека по имени Космодемьян». Но такого личного имени не существовало. Фамилию давали по храму или по селу, названному в честь церкви Космы и Дамиана. Человек, переехавший в город из села Космодемьянское или живший рядом с храмом Космы и Дамиана, получал прозвище «Космодемьянов», то есть «из тех мест». Это типичная топонимическая фамилия, но с необычно длинной и книжной основой.

Географически фамилия редкая и рассеянная. Основной ареал — центральные области России, где стояли церкви Космы и Дамиана: Московская, Тверская, Ярославская, Нижегородская губернии. Встречается также на Урале, куда переселенцы приносили с собой название родного села. В отличие от фамилий на -ский (Космодемьянский), которые чаще носили дворяне и духовенство, форма на -ов/-ев закрепилась за крестьянами и мещанами — теми, кого в документах записывали по месту жительства без сословных привилегий.

В советское время фамилия получила неожиданную известность благодаря Зое Космодемьянской. Но её фамилия не выдумка и не псевдоним — она унаследована от предков, выходцев из села Космодемьянское Тамбовской губернии. Таким образом, за книжным звучанием стоит обычная история: храм, село, а затем и фамилия, которая пережила и гонения на церковь, и смену эпох.