Фамилия Луннов на первый взгляд кажется прозрачной: «луна» и суффикс -ов. Однако в русской ономастике такой прямой ход часто оказывается ложным. Двойное «н» в корне — ключевая зацепка. Если бы фамилия происходила напрямую от слова «луна», мы бы с высокой вероятностью имели форму Лунов (сравните: Лунин, Лунев). Второе «н» указывает на иную словообразовательную модель — скорее всего, на притяжательное прилагательное от прозвища или имени Лунной или Лунный.

Вероятнее всего, в основе лежит не астрономическое светило, а диалектное слово «лун» или «лунь». В северных и центральных говорах «лунь» — это хищная птица, полевой лунь, а также переносное прозвище бледного, седого или белобрысого человека («белый как лунь»). Человек с такими внешними данными мог получить прозвище Лунь, а его сына уже называли Луннов — то есть «сын Луня». Двойное «н» в этом случае — результат наложения суффикса -н- на основу, оканчивающуюся на -н: Лунь → Лун-н(ой) → Луннов. Такая модель встречается у фамилий от прозвищ с конечным -нь, -ньк (например, Конь → Коннов, Пень → Пеннов).

Менее распространённая, но допустимая версия — связь с ремеслом или местностью. В некоторых регионах «лунить» означало «глядеть, высматривать» или «блестеть, отсвечивать». Прозвище Лун могли дать человеку с большими, светлыми или «лунными» глазами. В этом случае фамилия образовалась бы от прозвища Лун с помощью суффикса -ов, но двойное «н» объяснить сложнее — разве что через промежуточную форму Лунный (человек, имеющий отношение к Луну).

Географически фамилия Луннов встречается нечасто, рассеяна по центральной России и Поволжью, что типично для прозвищных фамилий, не привязанных к одному региону. В дворянских родословных книгах она не зафиксирована — происхождение, скорее всего, крестьянское или мещанское. Интересная деталь: в XIX веке встречается вариант написания Лунов — с одной «н», что подтверждает путаницу между разными корнями и подчёркивает, что носители фамилии Луннов, вероятно, происходят именно от прозвища Лунь, а не от луны.