Фамилия Матрозова — женская форма, а её мужской вариант — Матрозов. В основе, скорее всего, лежит не фамилия моряка Матросова, а искажённое написание. Вероятнее всего, перед нами пример «народной этимологии», когда сложное или редкое слово переделывали на более привычный лад. Исходной могла быть фамилия Матрёзов, образованная от имени Матрёна (просторечная форма канонического Матрона). В русских говорах имя Матрёна произносили с ударением на первый слог, и в безударной позиции «ё» могла заменяться на «о»: Матрона, откуда и Матрозов. Суффикс -ов указывает на принадлежность: «сын Матрёны» или «человек Матрёны».

Менее вероятно, но исключать нельзя, что фамилия связана с прозвищем Матроз, которое мог получить человек, имевший отношение к матросам или морскому делу. Однако в этом случае мы ожидали бы фамилию Матросов, а не Матрозов. Переход «с» в «з» в русских фамилиях встречается (например, Козлов из Козла), но для слова «матрос» это нетипично. Скорее всего, написание через «з» — результат ошибки писаря при переписи населения или при заселении в паспорт, которую закрепили по документам.

Географически фамилия Матрозова встречается в основном в центральных и северо-западных областях России, где имя Матрёна было особенно популярно. Встречаются также варианты Матрозов, Матрозин, Матрозовых. По социальному составу носители фамилии — потомки крестьян, мещан или однодворцев, у которых в роду была Матрёна. Фамилия редкая, недворянская, и её история — типичный пример того, как живое произношение и канцелярская ошибка создают новую фамилию, не похожую на исходную.