Фамилия Мамаилов — редкий случай, когда тюркское имя и славянский суффикс образовали фамилию, которая звучит как отчество от отчества. В основе лежит имя Мамай, широко известное по хану Золотой Орды XIV века, но в народной среде оно бытовало и как личное имя, и как прозвище. К имени Мамай добавили притяжательный суффикс -ил-, характерный для некоторых русских фамилий (сравните: Михаил — Михаилов, Даниил — Даниилов), а затем — стандартный патронимический суффикс -ов. Получилась двойная модель: сначала «сын Мамая» (Мамаил), а потом уже «сын Мамаила» (Мамаилов).

Имя Мамай в тюркских языках восходит к слову «мамай» — «пугало», «страшилище», либо к арабскому «мухаммад» в народной огласовке. В русских документах XV–XVII веков имя Мамай встречается нередко: его давали как охранительное имя, чтобы отогнать злых духов, или как прозвище за крутой нрав. Носитель такого прозвища мог быть суровым, неуступчивым человеком, а мог — просто родиться в семье, где помнили об ордынском хане.

Географически фамилия Мамаилов тяготеет к югу России — к Ростовской области, Краснодарскому краю, Ставрополью. Это объяснимо: в казачьих и крестьянских средах, где тюркские имена бытовали как мирские, подобная модель была естественной. Встречается фамилия и в Закавказье, у народов, испытавших влияние русского делопроизводства.

Суффикс -ил- в фамилии Мамаилов — редкий, но не уникальный. В одной группе с ним стоят фамилии Михаилов, Даниилов, Гавриилов, образованные от канонических имен. Однако в случае с Мамаиловым основа нецерковная, что указывает на более позднюю, народную фиксацию: вероятно, фамилию записали в метрические книги уже в XVIII–XIX веках, когда крестьянам массово присваивали фамилии по отцу, а имя Мамай к тому времени превратилось в Мамаил под влиянием русских окончаний.