Фамилия Мотилевская — редкий случай, когда географическая привязка, скорее всего, первична, а не прозвище или профессия. Её основа — не имя и не род занятий, а топоним: название населённого пункта. В основе лежит корень «Мотил» (Мотыль, Мотылёв), который восходит к названиям сёл и деревень вроде Мотыли, Мотылёво или Мотылевка. Такие пункты встречаются в Беларуси и на западе России, особенно в Могилёвской и Гомельской областях. Житель такого места — «мотилевец» или «мотилёвец», а его жена или дочь получала прозвание «мотилевская».

Суффикс «-ская» указывает на дворянское или шляхетское происхождение в польско-литовской традиции. В Речи Посполитой фамилии на «-ский» носили землевладельцы, владевшие имением с таким названием. Однако в XIX веке, после разделов Польши, этот суффистр широко распространился и среди крестьян и мещан — его давали при переписях, «облагораживая» звучание фамилии. Поэтому Мотилевская могла принадлежать как обедневшей шляхте, так и крестьянке, записанной по месту рождения.

Сам корень «мотыл» неоднозначен. В славянских языках «мотыль» — это бабочка, мотылёк, а в диалектах — «непоседа», «вертлявый человек». Но для фамилии эта версия менее вероятна: прозвище Мотыль встречается, но дало бы фамилию Мотылёв, а не Мотилевский. Географическая версия надёжнее: в белорусских говорах «мотиль» могло означать «болотистое место» или «топь» — от слова «моча» (влага). Тогда название деревни Мотыли означало «сырое, низкое место», и фамилия Мотилевская буквально — «родом из сырого края».

Ударение в фамилии, судя по польской модели (Motylińska), падает на второй слог: Мотиле́вская. В русской адаптации часто смещают на третий — Мотиле́вская или даже Мотилевска́я, но исторически верным считается ударение на «е».

В отличие от фамилий вроде Московская или Тверская, Мотилевская не отсылает к крупному городу, а к малому хутору или деревне, которых в XIX веке могли быть десятки. Поэтому точное место происхождения установить сложно: носительницы фамилии могли быть родом из разных, не связанных друг с другом, селений с похожим названием.