Фамилия Костоебов — одна из тех, что сразу бросается в глаза своей прозрачной внутренней формой. В её основе лежит прозвище Костоеб, которое, судя по всему, относилось к человеку с грубоватой, но точной характеристикой. Слово «костоед» в старых русских говорах имело два основных значения: так называли либо привередливого едока, который «ест одну кость», то есть выбирает из еды только самое вкусное и не любит мякоть, либо, что более вероятно, — костоправа, народного лекаря, который «ел» больные кости, то есть вправлял суставы и лечил переломы. Вторая версия выглядит убедительнее: прозвища по профессии давали часто, а костоправы были уважаемыми людьми в деревне.

Образование фамилии стандартное для русской ономастики: к основе «Костоеб» добавился патронимический суффикс -ов, указывающий на принадлежность («чей?» — Костоебов сын). Модель «прозвище + -ов» — самая массовая для русских фамилий, поэтому Костоебовы — это потомки человека по прозвищу Костоеб. Интересно, что в отличие от многих «ремесленных» фамилий (Кузнецов, Плотников), эта сохранила не просто название занятия, а его образную, почти метафорическую форму.

Географически фамилия редкая и не имеет ярко выраженного «гнезда». Встречается спорадически по разным регионам России, что типично для прозвищных фамилий, не привязанных к одной местности. В дореволюционных источниках Костоебовы фиксируются в основном в крестьянской и мещанской среде центральных губерний. Стоит отметить, что фамилия не имеет отношения к дворянским родам — её носители, скорее всего, были людьми простого сословия.

Сравнение с однокоренными фамилиями (Косточкин, Костин, Костоправов) показывает, что Костоебов стоит особняком: если Костин образован от уменьшительного имени, а Костоправов — от прямого названия профессии, то Костоебов содержит в себе элемент насмешки или иронии. Прозвище могло закрепиться за человеком не только за его ремесло, но и за манеру поведения — например, за привычку грызть кости за столом, что в крестьянском быту считалось не самой изысканной чертой. В любом случае, фамилия даёт яркую и почти кинематографичную картинку своего первого носителя.