Фамилия Мтлосердова — редкий случай, когда основа слова не поддаётся однозначной трактовке через привычные русские корни. В ней нет ни «милости», ни «сердца», хотя на слух она напоминает искажённое «милосердие». Скорее всего, мы имеем дело с фонетическим видоизменением: начальное «Мт-» могло возникнуть из «Мит-» или «Мет-» в результате редукции гласных и упрощения группы согласных в диалектной речи. Если это так, то в основе лежит имя Митрофан (греч. «явленный матерью») или его просторечная форма Митроха. Суффикс -ов- указывает на принадлежность: Мтлосердов — сын Мтлосерда, где Мтлосерд — прозвище или обиходное имя человека по отцу.

Вторая версия, менее вероятная, но не исключённая: фамилия могла возникнуть из прозвища, связанного с ремеслом или местностью. Например, «мтла» — диалектный вариант слова «метла» (в некоторых говорах «мтла» или «мтелка»). Тогда Мтлосердов — потомок человека, которого прозвали Метлосердом, то есть тем, кто «метёт сердцем» — возможно, за чистоплотность или навязчивую заботу. Но это уже народная этимология, без опоры на письменные источники.

Географически фамилия встречается крайне редко, в основном в центральных и южных областях России, где говоры допускали стяжение гласных. В дореволюционных переписях её почти нет, что говорит о позднем оформлении или о том, что она записывалась на слух, с искажениями. Сравните с однокоренными: Митрофанов, Митрохин, Метёлкин — все они распространены шире, а Мтлосердова осталась локальным вариантом.

Словообразовательная модель здесь простая: основа (прозвище или имя) + патронимический суффикс -ов. Окончание -а выдаёт женскую форму, то есть по фамилии мы знаем, что речь идёт о женщине или о семье, где фамилия склоняется по женскому роду. В мужском варианте — Мтлосердов, но в быту чаще встречается именно женская форма, потому что носительниц больше.

Единственная достоверная деталь: фамилия не дворянская и не купеческая — её носители, скорее всего, были крестьянами или мещанами, а сама она закрепилась в письменных документах не раньше середины XIX века, когда начался массовый учёт населения.