Прозвище Костомар, от которого образована фамилия Костомаров, историки связывают со словом «костомара» — так в старину называли большую кость. Соответственно, прозвище давали человеку ширококостного, мощного телосложения. Однако это не единственная версия. В русских говорах «костомарой» могли назвать и костлявого, худощавого человека — то есть прозвище могло строиться на противоположном внешнем признаке, по принципу «от противного». Обе гипотезы имеют право на существование, но первая, с указанием на силу и широту кости, встречается в ономастических работах чаще.

В документах XVI–XVII веков фамилия уже фиксируется. С. Б. Веселовский в своих исследованиях упоминает Костомарова Иллариона, убитого в 1560 году под Казанью, и тульского помещика Якова Филатовича Костомарова, датированного 1587 годом. Эти ранние записи показывают, что фамилия бытовала в служилой среде, среди людей, нёсших военную службу на южных рубежах Московского государства.

Словообразовательная модель типична для русских фамилий: суффикс -ов присоединяется к основе прозвища Костомар, указывая на принадлежность («чей?» — сын Костомара). Менее распространённый вариант с суффиксом -ин (Костомарин) встречается реже, но тоже возможен, если исходное прозвище звучало как Костомара.

В современных говорах слово «костомара» почти вышло из употребления, но фамилия сохранила память о нём. Географически Костомаровы традиционно связаны с центральными и южными областями России — Тульской, Рязанской, Калужской, что подтверждается архивными данными XVI–XVII веков. Среди однокоренных фамилий — Костомахин, Костоглодов, Костоломов — у них схожая мотивация, но разная степень распространённости. Костомаров — одна из самых узнаваемых в этом ряду, во многом благодаря известному историку Николаю Ивановичу Костомарову.