Фамилия Космодемьянская — одна из тех, что рассказывают о происхождении своего носителя почти без подсказок. Она составная: её основа — два крестильных мужских имени, Косма и Демьян (в церковной традиции — Косма и Дамиан). Косма переводится с греческого как «мир, порядок, мироздание», а Демьян — как «покоритель». Такие сдвоенные фамилии типичны для духовного сословия. Священники нередко брали фамилию по храмовому празднику или по имени святых, в честь которых освящена церковь. Косма и Дамиан — братья-бессребреники, почитаемые как целители, и храмы в их честь называли Космодемьянскими. Отсюда же пошли фамилии Козьмодемьянский, Космодемьянский и, в женской форме, Космодемьянская. По той же модели образованы Борисоглебский (Борис и Глеб) или Петропавловский (Пётр и Павел).

Самая известная носительница фамилии — Зоя Анатольевна Космодемьянская (1923–1941). В октябре 1941 года, ученицей десятого класса, она ушла добровольцем в партизанский отряд. Действовала под Нарофоминском, у деревни Петрищево была схвачена немцами, подвергнута пыткам и повешена, не назвав своего имени — назвалась Таней. Очерк В. Лидова в газете «Правда» сделал её подвиг известным на всю страну; Зое Космодемьянской посмертно присвоили звание Героя Советского Союза.

В бытовом языке и документах встречается вариант Козьмодемьянская — он возник из народного произношения имени Косма как Козьма. А суффикс -ск- указывает на принадлежность к местности или храму, а не на прямое родство по отцу, как, скажем, у фамилий на -ов. Поэтому Космодемьянская — не «дочь Космы и Демьяна», а скорее «из рода тех, кто служил при Космодемьянской церкви» или «из села с таким названием». Точное время и место появления конкретной ветви рода можно установить только через серьёзные генеалогические изыскания — единого центра происхождения у фамилии нет.