Фамилия Кострубатов — редкий пример того, как основа, на первый взгляд прозрачная, ставит перед исследователем несколько загадок. В ней отчетливо слышится корень «костр-» и суффикс «-ат-», характерный для прилагательных со значением «обладающий чем-то». Проще всего предположить, что в основе лежит слово «кострубатый» — так в диалектах могли называть человека с неровной, шероховатой кожей, рябого или с оспинами. «Коструба» или «коструб» — это нечто бугристое, корявое, похожее на кору или нарост. Прозвище Кострубатый давали по внешнему признаку, а его потомки стали Кострубатовыми.

Однако есть и вторая, более неожиданная версия. В украинском и южнорусских говорах «коструб» — это не только внешность, но и название снопа, который жгут в купальских обрядах, или чучела из соломы. Прозвище Коструб мог получить человек, связанный с обрядовыми действиями, например, тот, кто делал такие чучела на праздник. Или же так дразнили за вихрастую, торчащую в разные стороны шевелюру, похожую на всклокоченную солому. Форма Кострубатый тогда — вариант с тем же значением «похожий на коструба».

Суффикс «-ов» в конце — стандартный русский патронимический показатель, означающий «сын (или потомок) Кострубатого». Фамилия могла возникнуть в среде крестьян или посадских людей, где прозвища по внешности и бытовым деталям были обычным делом. Она почти не встречается в дворянских родословных книгах, что указывает на её простонародное происхождение. Географически фамилия тяготеет к югу России и востоку Украины — регионам, где слово «коструб» бытовало в живом языке. Встречаются варианты написания: Кострубатов и, реже, с одной «с» — Кострубатов, хотя этимологически верно двойное «с», так как корень «костр-» в русском языке обычно сохраняет свою основу.