В основе фамилии Космылев лежит прозвище Космыль, которое образовано от нарицательного «космы» — густые кудри или растрепанные волосы. Такое прозвище мог получить человек с пышной шевелюрой, а также неопрятный, взлохмаченный, не следящий за прической. В вятских говорах прозвище Космыль встречается особенно часто, что указывает на возможное географическое происхождение фамилии — из Вятского края.

Словообразовательная модель типична для русских фамилий: к основе прозвища добавили патронимический суффикс -ев, указывающий на принадлежность («чей?» — Космылев). То есть фамилия означает «потомок Космыля». В отличие от более распространенного суффикса -ов, вариант -ев здесь закономерен: основа Космыль заканчивается на мягкий согласный.

Стоит отметить, что фамилия редкая и не имеет широкого распространения за пределами северных и северо-восточных регионов России. В документах XVII–XVIII веков, например в переписных книгах Вятки и Перми, встречаются носители прозвища Космыль, что подтверждает народное происхождение фамилии от личного прозвища, а не от церковного имени.