Фамилия Космылева — женская форма, а её мужской вариант Космылев. В центре внимания здесь не просто имя, а редкая словообразовательная модель, которая сразу выдает невеликорусское происхождение. В фамилиях на -лев, -лёв (ср. Кислов, Путилов) основа чаще всего отыменная, но суффикс -л- в сочетании с корнем Косм- указывает на прозвище или имя, образованное с помощью этого форманта.

Корень восходит к имени Косма — просторечной форме канонического имени Косма (от греческого «космос» — мироздание, порядок). В русской традиции имя Косма давали в честь святого Космы, врача-бессребреника, часто в паре с Дамианом. Однако фамилия Космылев не могла возникнуть напрямую от полного имени Косма: суффикс -ылев указывает на основу Космыл-. Это либо уменьшительная форма (Космыл — «маленький Косма»), либо прозвище, произведенное от этой основы.

Вероятнее всего, Космыл — это древнерусское нецерковное имя или прозвище, характерное для северных и центральных областей России, где любили суффиксальные усечения имен. В ономастических работах В. А. Никонова отмечается, что фамилии на -ылев чаще встречаются в зоне владимиро-суздальских земель и Рязанщины, где подобные формы бытовали активно. Таким образом, предок носительницы фамилии мог зваться Космыл — неформально, по-домашнему, но это имя закрепилось в документах.

Второй вариант, менее вероятный, — связь с диалектным словом «космыль» (что-то косое, кривое, или же растрепанные волосы — космы). Но в таком случае фамилия писалась бы через «о» под ударением (Космылёв) и имела бы иную географию. Современное написание Космылев (с ударением на первый слог или на «ы») скорее отсылает к имени.

Социально фамилия не элитарная: в дореволюционных списках Космылевы — это крестьяне и мещане, чаще всего из Владимирской, Нижегородской и Костромской губерний. Дворянских родов с такой фамилией не зафиксировано, что лишний раз подтверждает её простонародное, прозвищное происхождение.