Фамилия Котосонова — редкий случай, когда прозвище, лёгшее в основу, почти наверняка связано с кошкой, но не напрямую, а через уменьшительно-ласкательную форму. Основа «Котос» — это нестандартное, диалектное или шутливое производное от слова «кот». В русских говорах могли сказать «котос» вместо «котик» или «котёнок», особенно в северных и сибирских регионах, где любили уменьшительные суффиксы с оттенком ласки (ср. «братос», «матос»). Суффикс «-онок» указывает на детёныша или молодое существо, а «-ов» — на принадлежность. Получается, Котосонов — потомок того, кого в округе звали Котосонок, то есть «маленький котик» или «котёночек».

Версия с тюркскими корнями маловероятна: в тюркских языках «котос» не имеет устойчивого значения, а звуковой облик фамилии типично русский. Скорее всего, прозвище дали невысокому, пушистому или ласковому человеку — либо ребёнку, либо взрослому с мягким характером. В старину прозвища по животным были обычны: Кот, Кошка, Котофей, но форма «Котосонок» — редкая и почти не встречается в документах XVII–XVIII веков, что говорит о её локальном, возможно, семейном происхождении.

Географически фамилия Котосонова (мужской вариант — Котосонов) тяготеет к северу России: единичные записи встречаются в Архангельской и Вологодской областях, а также в Сибири, куда переселенцы принесли прозвище. По сословной принадлежности предки, скорее всего, были крестьянами или посадскими людьми — дворянских родов с такой фамилией не зафиксировано. Интересно, что в некоторых переписях XIX века фамилию писали через «а» — Катосонов, что могло быть следствием акающего произношения или ошибки писаря.

Сравнение с однокоренными фамилиями (Котов, Кошкин, Котенков) показывает, что Котосонова — самая редкая и самая «детская» по смыслу. Если Котов — просто «сын кота», то Котосонова сохранила ласковый оттенок прозвища, которое, вероятно, закрепилось за одним человеком и не распространилось широко. Носительница фамилии сегодня может считать, что её предок был либо маленьким и юрким, либо просто очень любил кошек.