Фамилия Молитвинова — женская форма фамилии Молитвинов, и её основа неочевидна на первый взгляд. В отличие от большинства русских фамилий на -ов, образованных от прозвищ или профессий, здесь мы имеем дело с редкой моделью: корень «молитв-» прямо отсылает к слову «молитва». Однако напрямую «молитвой» человека не называли — это было бы слишком абстрактно. Скорее всего, в основе лежит прозвище Молитва, которое давали человеку набожному, постоянно читающему молитвы, или, напротив, тому, кто любил повторять «молитва» как присказку. В русских говорах встречалось и ироничное прозвище Молитва для того, кто слишком усердно крестился или ходил в церковь.

Суффикс -ин (в мужском варианте Молитвин) указывает на принадлежность: «чей сын?» — Молитвин, то есть сын Молитвы. Форма Молитвинов — вторичная, с наращением -ов, что характерно для некоторых регионов, где фамилии на -ин «переделывали» под более массовый тип на -ов. Такая двойная суффиксация встречается редко и говорит о том, что фамилия могла сложиться не в центральных губерниях, а на периферии — например, на Русском Севере или в Поволжье, где ономастикон был более подвижным.

Географически фамилия Молитвинов (и Молитвинова) сегодня встречается нечасто. Основные очаги — Вологодская, Костромская и Кировская области, что подтверждает северное происхождение. В этих краях были сильны старообрядческие традиции, и прозвище Молитва могло закрепиться за человеком, известным своим благочестием или чтением канонов. Есть и другая версия: в некоторых диалектах «молитва» означала не только обращение к Богу, но и заговор, шептание — так могли прозвать знахаря или колдуна, который «читал молитвы» для лечения или порчи. Эта гипотеза менее популярна, но не лишена оснований, учитывая двойственность народной культуры.

Сословно фамилия Молитвинов почти наверняка крестьянская или мещанская. В дворянских родословных книгах она не зафиксирована, а в ревизских сказках XIX века носители встречаются среди государственных крестьян северных уездов. Таким образом, предки современных Молитвиновых — скорее всего, люди, жившие в лесной глуши, где прозвище, данное за религиозность или необычное поведение, превратилось в фамилию и передалось через поколения.