Фамилия Козмодемьяновы — один из ярких примеров искусственных фамилий, которые давали в среде русского духовенства. В отличие от большинства крестьянских или дворянских фамилий, её не выводили из прозвища или ремесла предка, а целенаправленно сконструировали, соединив два крестильных имени: Козма (народная форма от греческого Косма — «мир, порядок, мироздание») и Демьян (от греческого «покоритель»). Это не ошибка и не случайность: в православной традиции святые Косма и Дамиан (в просторечии — Кузьма и Демьян) почитаются вместе, отсюда и пошли двойные фамилии вроде Космодемьянский, Козьмодемьянский и, наконец, Козмодемьянов.

Здесь работает та же модель, что и в фамилиях Борисоглебский, Петропавловский или Розов (где суффикс -ов присоединили не к женскому слову «роза», а к мужскому латинскому корню). В случае с Козмодемьяновыми суффикс -ов закрепился за формой двойного имени, превратив её в фамилию. Такой способ словообразования типичен для семинарских фамилий, которые часто придумывали наставники, чтобы выделить ученика среди однофамильцев или подчеркнуть его связь с церковным календарём.

С точки зрения географии, фамилия могла закрепиться в тех регионах, где стояли храмы в честь Космы и Дамиана, а также в городах с названием Козьмодемьянск (например, в Марий Эл или бывшей Казанской губернии). Однако носители фамилии Козмодемьяновы встречаются редко — это штучная, почти книжная фамилия, которая не получила массового распространения, в отличие от более привычных Кузьминых или Демьяновых.