Фамилия Мамиловы образована по одной из самых продуктивных моделей русских фамилий — с помощью патронимического суффикса -ов. В основе лежит личное имя или прозвище Мамило. Это редкая основа, поэтому сразу стоит отбросить версию о связи с тюркским словом «мамай» (страшилище) или с грузинским именем — фамилия явно русского происхождения и сформирована на восточнославянской почве.

Скорее всего, Мамило — это просторечная или диалектная форма крестильного имени Мамант (от греческого «мамма» — мать, грудь), которое в народе часто переделывали в Мамонт, Мамот, а в некоторых говорах — в Мамило. Подобные трансформации — обычное дело в русской ономастике: имя Памфил превращалось в Панфил, а Иоанникий — в Анникей. В этом случае Мамиловы — потомки человека по имени Мамант, которого в быту звали Мамилом.

Другая, менее вероятная, но возможная версия — прозвище от диалектного глагола «мамить» или «мамлить». В некоторых русских говорах это означало «мямлить, говорить невнятно», а в рязанских и тамбовских — «обманывать, хитрить». Тогда прозвище Мамило могли дать либо нерасторопному, медлительному человеку, либо, наоборот, ловкачу и плуту. В пользу этой версии говорит то, что суффикс -ило в русских прозвищах часто указывал на носителя действия (ср. Губило, Воротило).

География фамилии указывает на её исконно русский ареал. Фамилия Мамиловы встречается прежде всего в центральных областях России, особенно в Вологодской, Костромской и Ярославской губерниях. Это регионы, где хорошо сохранялись архаичные формы имён и прозвищ, и где фамилии на -ов закрепились уже в XVI–XVII веках. Среди Мамиловых были крестьяне и мещане, но в некоторых родословных росписях упоминаются и священники — что косвенно подтверждает версию о происхождении от церковного имени Мамант.