Фамилия Луонов — редкая и морфологически прозрачная, но неочевидная по корню. Она образована по самой массовой русской модели: к основе на согласный добавлен суффикс -ов, указывающий на принадлежность («чей?»). Это типичная «патронимическая» фамилия, то есть происходящая от имени или прозвища отца. Ударение, скорее всего, падает на второй слог: Луо́нов.

Вопрос в том, что стоит в основе — Луон. Самый вероятный путь: это форма имени Лука, которое в разговорной речи давало множество вариантов: Лукьян, Луконя, Луканя, Лунь. От одного из таких просторечных вариантов — Лун, Луня — с помощью суффикса -он (как в именах Гаврила — Гаврион, Сила — Силон) и появилось прозвище Луон. Луон — это «сын Луки» или «человек, похожий на Луку».

Вторая версия, менее распространённая, но возможная: связь с диалектным словом «лунь» — хищная птица, похожая на сокола. В говорах «лунь» могли произносить и как «луон». Прозвище Луон мог получить светловолосый или седой человек (лунь — птица с белесым оперением), либо тот, кто напоминал её повадками. Однако основа Луон в этом случае должна была пройти через стадию «Лунь» с последующим отвердением, что для фамилий редкость.

Географически фамилия тяготеет к северным и центральным областям России — там, где имя Лука было особенно популярно в XVI–XVII веках. Встречается она в единичных записях, что указывает на узко-местное происхождение: предки Луоновых, скорее всего, были крестьянами или посадскими людьми из одного села. Никакого дворянского или служилого «следа» у этой фамилии нет — она из тех, что возникали в приходских книгах как запись «Ивашко Луонов сын» и закреплялись за семьёй без вариантов.