Фамилия Крембилова — редкая и, скорее всего, искусственная по происхождению. Её основа — «крембил» — не встречается ни в древнерусских прозвищах, ни в тюркских или финно-угорских заимствованиях, которые обычно питают русские фамилии. С высокой вероятностью, это фамилия, которая возникла в семинарской среде. В духовных училищах и академиях XVIII–XIX веков будущим священникам нередко давали «благозвучные» фамилии, образованные от латинских или греческих слов, либо просто вымышленные, чтобы сменить неблагозвучную или простонародную фамилию отца. «Крембил» может быть искажением латинского cremabilis — «сгораемый, доступный сожжению», что отсылает к христианской символике жертвы или очищения огнём. Другая, менее вероятная версия — связь с диалектным глаголом «крембить» (в некоторых говорах — «упрямиться, капризничать»), но тогда фамилия писалась бы через «и» (Крембилов) и встречалась бы в крестьянской среде, чего не наблюдается.

Форма на -ова указывает на принадлежность женщине или происхождение от женской линии (Крембилова — жена или дочь Крембилова). Сама же мужская форма Крембилов, скорее всего, единична и не имеет широкой географии. Встретить её можно в центральных губерниях России, где располагались духовные семинарии, но в дореволюционных переписях она почти не фиксируется. Это говорит о том, что фамилия либо очень молодая (дана в конце XIX века), либо принадлежала немногочисленному роду.

Если отбросить искусственную версию, остаётся вариант прозвища от слова «кремль» — но это маловероятно: форма «крембил» далека от «кремлёв», и суффикс -ил нехарактерен для русских прозвищных основ. Таким образом, наиболее правдоподобное объяснение — книжное, семинарское происхождение. Предки носителей фамилии Крембилова, скорее всего, были выходцами из духовного сословия, получившими фамилию при поступлении в училище.