Фамилия Молоносовы — редкий случай, когда корень слова не поддаётся однозначному прочтению. Основа «молон-» или «молонос-» не встречается в списке распространённых древнерусских имён, прозвищ или названий профессий. Поэтому для этой фамилии приходится строить гипотезы, опираясь на диалекты и возможные искажения.

Наиболее вероятная версия — прозвище Молон, которое могло произойти от диалектного глагола «молонить» — говорить невнятно, бормотать, или от «молонья» — старой формы слова «молния» (в некоторых говорах до сих пор говорят «молонья сверкнула»). В первом случае предка прозвали Молоном за манеру речи, во втором — за быстрый, вспыльчивый характер или за профессию, связанную с кузнечным делом (молния как символ огня). Суффикс «-осов» здесь работает нестандартно: обычно фамилии образуются через -ов/-ев, но форма Молоносов напоминает патроним от прозвища Молон, где «-ос» могло быть остатком древнего окончания или просторечным усечением, а «-ов» — уже привычным патронимическим суффиксом. По другой версии, основа «Молонос» — это сложное слово, где «моло» может быть корнем от «молоть» (мельник), а «нос» — указанием на перенос чего-то, но это уже натяжка.

С географией сложно: фамилия не привязана к известным дворянским родам или крупным историческим кланам. Скорее всего, Молоносовы — поздняя крестьянская или мещанская фамилия, возникшая в центральной России или Поволжье, где диалектные формы слов дольше сохранялись в обиходе. В дореволюционных переписях она почти не встречается, что говорит о её локальном и немногочисленном бытовании.

Если сравнивать с однокоренными, то рядом стоят фамилии Молонов, Молонков, Молоногов — все они редки и имеют схожую неясную основу. Интересно, что в фамилии Молоносов ударение, скорее всего, падает на предпоследний слог (Молоно́совы), что типично для фамилий с суффиксом -ов от основ на -о/-е. В любом случае, точного значения сегодня не восстановить, но ясно одно: прозвище было не книжным, а живым, уличным — таким, какое давали за характерную черту или внешность.