Фамилия Людмилова — один из тех случаев, когда женская форма фамилии закрепилась в качестве основной, что сразу указывает на её происхождение. В русской традиции фамилии на -ов/-ев образуются от имени или прозвища отца: если отца звали Людмил, то его дети становились Людмиловыми, а жена — Людмиловой. Однако в современном бытовании фамилия Людмилова (с ударением на второй или третий слог) встречается чаще, чем мужской вариант Людмилов, что говорит о том, что в какой-то момент носительница фамилии — вдова или хозяйка дома — дала фамилию детям. Это не редкость для крестьянской среды XIX века, где перепись часто фиксировала семью по матери, если отец умер или был в солдатах.

Основа фамилии — мужское каноническое имя Людмил. В святцах его нет: это славянское имя, составленное из корней «люд» (народ) и «мил» (милый, дорогой). Оно означает «милый людям». Имя было популярно в среде старообрядцев и в некоторых южнославянских культурах, но в России его давали нечасто, предпочитая женскую форму Людмила. Мужское имя Людмил встречается в документах XVI–XVII веков, например, в актах Русского государства можно найти упоминания посадских людей Людмилов. Таким образом, предок носителей фамилии — человек, которого в миру звали Людмилом, и это имя стало его прозвищем-именем, перешедшим в фамилию.

Географически фамилия Людмилова редкая. По данным современных телефонных справочников и баз ЗАГСов, она сосредоточена в центральных областях России — в Московской, Тверской, Ярославской губерниях, а также единично встречается на Урале. Это совпадает с ареалом распространения старообрядческих имен, где славянские формы вроде Людмил, Владимир, Всеволод держались дольше, чем в официальной церковной практике.

С точки зрения словообразования фамилия прозрачна: суффикс -ов указывает на принадлежность («чей?» — Людмилов). Ударение, скорее всего, падает на второй слог: Людми́лова, хотя в разговорной речи можно услышать и Людмило́ва — это смещение под влиянием частого женского имени Людми́ла. Социально фамилия недворянская: в списках столбового дворянства она не зафиксирована, что подтверждает её крестьянско-мещанское происхождение.

В отличие от фамилий Любимов или Милов, Людмилова имеет двойную мотивацию: она могла возникнуть и от имени Людмил, и от прозвища Людмил (человек, который «мил людям»). Но вторая версия слабее: прозвища в такой форме почти не встречаются, а имя — да. Поэтому наиболее правдоподобное объяснение: фамилия ведет начало от редкого мужского имени, которое сегодня почти забыто, но сохранилось в этой фамильной форме.