Фамилия Козьмодемьянова — один из редких примеров, когда в основе лежит не одно имя, а целое двусоставное имя Козьма и Дамиан. Это отсылка к двум братьям-святым, бессребреникам и чудотворцам, которых в народе называли Кузьма и Демьян. В церковной традиции их имена пишутся через дефис (Косма и Дамиан), но в фамилии они слились в единую основу. Форма на -ов указывает на принадлежность: буквально «сын (или дочь) того, кого зовут Козьмодемьян». В дореволюционной России такое имя давали не в честь праздника, а при крещении, но встречалось оно редко — чаще в среде духовенства или в старообрядческих семьях.

Женское окончание -а означает, что перед нами исходная форма для женщин (дочь или жена). Мужской вариант — Козьмодемьянов. При этом в быту фамилию часто записывали на слух, отсюда возможные варианты: Козмодемьянова, Кузьмодемьянова, а иногда и с одной «з» — Козьмодемьянова. Последнее — нормативное написание, соответствующее церковнославянской традиции (с «ь» после «з»).

Географически фамилия привязана к центральным и южным губерниям России: Тамбовской, Рязанской, Курской, а также к Поволжью. В этих регионах были распространены храмы, освящённые в честь Космы и Дамиана, и прихожане нередко получали фамилию по названию престольного праздника или по имени местного священника. Однако Козьмодемьянова — не топонимическая фамилия (в отличие от Козьмодемьянский), а именно патронимическая, то есть образованная от личного имени.

С точки зрения словообразования интересен суффикс -ов, который в данном случае присоединился к основе, оканчивающейся на твёрдый согласный «н». В фамилиях на -ин (Кузьмин, Демьянов) основа была бы иной, но здесь сработала модель, типичная для полных форм имени. Это говорит о том, что предок носителя фамилии, скорее всего, был человеком грамотным или его имя фиксировали в документах по церковному образцу, без народного сокращения.

Социально фамилия не привязана к одному сословию. Встречается и у крестьян, и у мещан, и у священнослужителей. В дворянских родословных книгах она не фиксируется — скорее всего, предки были выходцами из свободных крестьян или посадских людей, получивших фамилию во время переписей XVIII–XIX веков.