Фамилия Мтхайлова — редкий случай в русском ономастиконе. Её основа явно не славянская, а кавказская, точнее — осетинская. В осетинском языке слово «мтхай» или близкие к нему формы означают «герой», «богатырь», «силач». Таким образом, прозвище Мтхайл (или Мтхай) давали человеку, который выделялся физической мощью, отвагой или воинской доблестью. Фамилия образована по русской модели: к основе Мтхайл- добавили типичный для женского рода суффикс -ов- и окончание -а. Мужской вариант — Мтхайлов, что значит «сын (или потомок) Мтхайла».

Интересна география бытования. Фамилия Мтхайлова встречается почти исключительно на юге России, в первую очередь в Северной Осетии, а также среди осетинской диаспоры в других регионах. Это не случайно: осетины — один из немногих народов Кавказа, у которых фамилии (мыггаг) массово оформлялись по русскому образцу с суффиксами -ов/-ев, особенно в XIX–XX веках. При этом исходное осетинское имя или прозвище сохранялось без изменений.

Словообразовательная модель проста и прозрачна. Суффикс -ов- указывает на принадлежность к роду. В отличие от многих русских фамилий, где основа — крестильное имя (Иван — Иванов) или профессия (Кузнецов), здесь основа — осетинское прозвище, которое так и не стало личным именем в полном смысле. Это типично для поздних фамилий, которые фиксировались уже в советское время, когда паспортная система требовала единообразного оформления.

В осетинской традиции фамилия часто указывала на происхождение из конкретного села или рода, но в данном случае прозвище говорит скорее о личных качествах предка. Можно предположить, что первый носитель прозвища Мтхайл был уважаемым воином или просто очень сильным человеком, и это качество закрепилось за его потомками. Ошибок в написании фамилии почти не бывает — она короткая и фонетически однозначная, хотя в документах иногда встречается вариант Мтхаилова с буквой «и», что искажает исходное произношение.

Сравнение с другими фамилиями той же группы показывает, что осетинские фамилии на -ов с неадаптированной основой — явление нередкое: Цогоев, Дзагоев, Хадарцев. Мтхайлова стоит в этом ряду особняком из-за яркого и редкого корня, который напрямую отсылает к понятию героизма.