Фамилия Козмодемьянова в своей основе соединяет два крестильных мужских имени — Козма и Демьян. Первое восходит к греческому Косма, что значит «мир, порядок, мироздание», второе — Демьян, от греческого же «покоритель». Такая сдвоенная форма — характерная примета фамилий, которые давали в среде духовенства. Священники нередко брали фамилию по храмовому празднику или по именам святых, которых почитали вместе. Известны аналоги: Борисоглебский (Борис и Глеб), Петропавловский (Пётр и Павел), а также Космодемьянский или Козьмодемьянский (Косма и Дамиан, где Дамиан в народном произношении превратился в Демьяна).

В фамилии Козмодемьянова мы видим суффикс -ов, который обычно присоединяется к основам мужского рода. Однако здесь он стоит после женского окончания -а, что для русского словообразования нестандартно. Сравните: от слова «роза» по правилам следовало бы ждать фамилию Розин, но в реальности закрепилась форма Розов. Такие отступления от грамматики встречаются в фамилиях, которые складывались стихийно, без оглядки на нормы. В случае Козмодемьяновой, вероятно, сыграло роль то, что исходное прозвание или имя храма (Козьма и Демьян) воспринималось как единое целое, а суффикс -ов добавили по аналогии с другими фамилиями на -ов.

Точное время и место возникновения этой фамилии без специальных генеалогических изысканий не установить. Но сама модель — сращение двух имён в одну фамилию — указывает на среду, где церковная книжность и народная речь переплетались: скорее всего, предки Козмодемьяновых были либо священнослужителями, либо людьми, чья жизнь была тесно связана с приходом, носившим имя святых Космы и Дамиана.