Фамилия Молоносова — женская форма фамилии Молоносов. Её основа — прозвище или нецерковное имя Молон, Молоня. В русских говорах слово «молонья» означало молнию, грозу. Человека могли прозвать Молоней за вспыльчивый, резкий характер или за быстроту, стремительность. Такие прозвища, образованные от явлений природы, встречались на Руси нередко: Гром, Вихрь, Буря.

Модель образования проста: к основе Молон- добавили патронимический суффикс -ов, что буквально значит «сын Молона». Форма Молоносова — результат позднейшего закрепления в женском роде. Интересно, что в фамилии сохранилось чередование корня: «Молон-» вместо ожидаемого «Молни-». Это может указывать на диалектное произношение — в некоторых северных и сибирских говорах «молонья» звучало как «молонья» с ударением на второй слог, отсюда и форма Молон.

Есть и более редкая версия: связь с устаревшим словом «молон» — так в некоторых местах называли мельничный жернов или каменную плиту. Тогда прозвище мог получить мельник или каменотёс. Но эта гипотеза менее вероятна: фамилии от названий природных явлений встречаются чаще, чем от предметов быта, имевших другие, более ходовые названия.

Фамилия Молоносова — редкая. Она почти не встречается в центральных областях России, но единичные записи есть в архивных документах по Вологодской и Архангельской губерниям. Это подтверждает северное происхождение: именно там диалектное «молонья» было в ходу, и фамилия могла возникнуть независимо в нескольких крестьянских родах.