Фамилия Козлодоев — редкий случай, когда прозвище, лёгшее в основу родового имени, сохранило свою прямоту и не утратило смысла спустя века. Она образована по стандартной модели отчества: к основе «Козлодой» добавили притяжательный суффикс -ев, указывающий на принадлежность («чей?» — Козлодоев). Второй вариант — суффикс -ов, который в русских фамилиях встречается чаще, но в данном случае закрепилось написание через «е», что характерно для фамилий на шипящий или мягкий согласный (сравните: Грибоедов, а не Грибоедов).

Корень фамилии — сложное слово «козлодой», то есть «тот, кто доит козла». На первый взгляд звучит нелепо или даже насмешливо, но за этим стоит вполне конкретный промысел. Козье молоко в крестьянском хозяйстве ценилось, но доить козу — дело хлопотное, а козёл, разумеется, молока не даёт. Прозвище Козлодой могли дать человеку, который либо занимался разведением и доением коз (и делал это настолько умело, что шутники обыграли его занятие), либо тому, кто терпеливо выполнял бессмысленную с виду работу — как в пословице «доить козла» означало делать что-то заведомо бесполезное. В этом случае прозвище носило ироничный, но не обязательно обидный оттенок: так могли назвать упрямца или человека, который брался за невыполнимое дело.

В ономастике фамилия Козлодоев не имеет однозначной географической привязки. Она не входит в число распространённых дворянских или купеческих фамилий, а значит, её носители — выходцы из крестьянской или мещанской среды. Встречается она преимущественно в центральных и южных губерниях России, где козоводство было более развито, чем на севере. Интересно, что фамилия не трансформировалась в более «благозвучные» варианты (вроде Козлов или Козельский), а сохранила исходную форму — это говорит о том, что прозвище не воспринималось как ругательство.

Сравнение с однокоренными фамилиями помогает понять её уникальность. Есть фамилии Козодоев (от «козодой» — птица, но также и от «доить козу»), Козлодоев — более редкая. В отличие от фамилий, образованных от названий животных (Козлов, Козин), здесь в основе не просто животное, а действие, что делает её «говорящей» и живой. Носитель такой фамилии мог получить её от предка, который запомнился окружающим либо своим занятием, либо характером — и эта память закрепилась в родовом имени на века.