Фамилия Мадемилова — редкий пример того, как в русской фамильной модели сохранились следы восточного именования. В основе лежит личное имя Мадемил, которое, скорее всего, составное. Первая часть — «маде» — восходит к арабскому прилагательному «мадии» («вещественный, материальный»). Вторая — «мил» — предположительно связана с древнетюркским «мәел» («желание, настроение»). Вместе имя Мадемил можно понять как «материальное желание»: так могли назвать долгожданного ребёнка, особенно первенца.

Фамилия образована по русской модели с суффиксом -ов, который в женском варианте даёт окончание -а. То есть Мадемилова — это буквально «жена или дочь Мадемила». Мужской вариант фамилии — Мадемилов. Важно, что в самой основе нет тюркского родового суффикса -оглы («сын»), который типичен для турецких и гагаузских фамилий. Здесь восточное имя просто «обрусело» через добавление славянского патронимического суффикса.

Поскольку имя Мадемил не входит в списки распространённых мусульманских имён, оно могло быть прозвищным или диалектным. Возможно, первоначально оно звучало иначе, а в русской записи упростилось. География фамилии неширокая: Мадемиловы встречаются в Поволжье и на Урале — в зоне активных контактов русского населения с тюркскими народами.