Фамилия Мухайлов — редкий вариант на фоне привычного Мухайлов. Разница в одну букву, но она многое говорит о происхождении. В основе лежит крестильное имя Михаил, что в переводе с древнееврейского означает «кто как Бог». Однако суффикс -ов указывает на принадлежность: Мухайлов буквально значит «сын Мухая» или «потомок Мухая». А вот Мухай — это не отдельное имя, а народная, разговорная форма имени Михаил, возникшая в результате фонетического упрощения: «Михаил» в быстрой речи давало «Михал», а затем, под влиянием акающих говоров (где «о» без ударения произносится как «а»), превратилось в «Мухай». Такое стяжение характерно для южнорусских и некоторых среднерусских диалектов.

Словообразовательная модель здесь та же, что у фамилий Тимохин (от Тимоха — Тимофей) или Прохоров (от Прохор — Прокофий). То есть Мухайлов — это патроним, образованный от обиходной, «домашней» версии церковного имени. Ономасиолог Б. Унбегаун в своём труде «Русские фамилии» отмечал, что подобные варианты часто возникали в крестьянской и посадской среде, где полное имя употребляли реже, заменяя его сокращёнными формами.

Географически фамилия Мухайлов тяготеет к регионам с акающим произношением — это юг России, Поволжье, частично Украина. Встречается она нечасто, что объяснимо: письменная фиксация фамилий в XIX веке часто «исправляла» народное произношение на литературное, и большинство носителей записывали как Мухайлов. Если же в документах закрепился вариант Мухайлов, это говорит о том, что предки жили в местности, где местный говор был сильнее официальной нормы, или же запись делал писарь «на слух». Таким образом, носитель фамилии Мухайлов может считать, что его предки — выходцы из южнорусских губерний, вероятно, крестьяне или мещане, носившие в быту имя Мухай.