Фамилия Маркеллов — одна из тех, что образована напрямую от полной формы церковного имени, минуя уменьшительные формы. В её основе лежит крестильное имя Маркелл, которое восходит к латинскому Marcellus — уменьшительной форме от Marcus («Марк»). Изначально Марцелл — это римское родовое прозвище, означавшее «молоточёк» или «посвящённый богу Марсу». В православных святцах имя Маркелл закрепилось через нескольких раннехристианских святых, в том числе папы римского Маркелла I.

Модель образования фамилии проста и прозрачна: к имени Маркелл прибавили типичный русский патронимический суффикс -ов, который отвечает на вопрос «чей?». Маркеллов — буквально «сын Маркелла». Такая форма характерна для центральных и северных регионов России, где фамилии на -ов доминировали. Интересно, что в южных и западных землях та же основа могла дать фамилию Маркелленко или Маркеллюк, но в великорусской традиции закрепился именно вариант с -ов.

В дореволюционных документах фамилия могла писаться с одним «л» — Маркелов. Такая вариативность встречалась часто, так как народное произношение не всегда различало двойные согласные, а церковная и светская запись имени иногда расходились. Двойное «л» — признак книжной, более строгой передачи имени через греческое посредство (Μαρκέλλος). Поэтому сегодняшнее написание Маркеллов — это возврат к исходной церковной норме.

Фамилия не относится к числу массовых, но и не является исчезающе редкой. Она встречается в старых документах по Новгородской, Тверской, Ярославской губерниям. Носители чаще всего происходили из духовенства или крестьян: имя Маркелл было популярно именно в среде сельских священников и монахов. В купеческой или дворянской среде оно встречалось реже, так как считалось «простым» и неаристократичным.

С точки зрения словообразования Маркеллов стоит в одном ряду с такими фамилиями, как Арсеньев (от Арсений), Афанасьев, Терентьев. Все они образованы от полных форм имён, без усечения или добавления уменьшительных суффиксов. Это — признак относительно позднего закрепления фамилии, когда имя уже перестали сокращать в быту, а записывали так, как в метрике.