Фамилия Мотылевский образована по самой распространенной в восточнославянской ономастике модели — от названия населенного пункта с помощью суффикса -ск-. Это указывает на то, что основатель рода происходил из места с корнем «Мотыл-». Скорее всего, речь идет о селе или деревне Мотылево (или Мотылевка), названной, в свою очередь, по фамилии или прозвищу первопоселенца. Такие села есть в разных регионах — например, в Брянской области и на Украине, что делает географию фамилии широкой, но не хаотичной.

Корень «Мотыл-» не стоит путать с насекомым (мотыльком). В русских говорах слово «мотыль» имело и другие значения: так называли неусидчивого, суетливого человека, а также рычаг для подъема тяжестей («мотыль» — часть механизма). В прозвищах чаще отражался характер: Мотыль — вертлявый, беспокойный, «порхающий» по жизни человек. Такой человек мог получить прозвище за манеру поведения, от которого и пошло название деревни, а затем и фамилия ее жителей.

Суффикс -евск- (а не -овск-) в фамилии Мотылевский указывает на основу на мягкий согласный или на «й». То есть топоним звучал как Мотылев, Мотылево, а не Мотылов. Это типично для фамилий, возникших в XVI–XVII веках, когда дворяне и служилые люди получали именования по своим поместьям. Однако Мотылевские не обязательно принадлежали к дворянству: по той же модели крестьяне, переселившиеся из деревни в другую местность, становились «Мотылевскими» при переписи.

В отличие от фамилий на -ов/-ин, которые часто давали по отцу, фамилия на -ский фиксирует скорее территориальную принадлежность. Поэтому предки носителя фамилии Мотылевский — это люди, либо владевшие землей в Мотылеве, либо просто выходцы оттуда. В архивных документах Российской империи фамилия встречается в основном в западных и южных губерниях: Черниговской, Полтавской, Могилевской, что косвенно подтверждает украинско-белорусский ареал распространения корня «Мотыль» как прозвища.

Единичные случаи написания через «а» (Матылевский) — результат аканья или ошибки писаря, но основная форма фамилии устойчиво сохраняет «о» в первом слоге. Фамилия не относится к числу очень частых, но и не является редкой: ее носили мещане, однодворцы и духовенство, что говорит о смешанном социальном происхождении.