Фамилия Муталимов образована от арабского имени Муталим (или Муталлим), которое в переводе означает «учащийся», «обучающийся», «студент». В мусульманской культуре это имя часто давали с пожеланием, чтобы ребенок стремился к знаниям, был образованным. Основа фамилии — тюркская или кавказская адаптация арабского корня, а суффикс -ов указывает на русскую модель патронимического образования, характерную для регионов, где русская администрация фиксировала фамилии по отцу.

Фамилия распространена среди народов Северного Кавказа и Закавказья — особенно у аварцев, лезгин, кумыков, а также у татар и башкир. Встречается и у народов Средней Азии, где исламские имена также были основой для фамилий. Появление суффикса -ов вместо местных окончаний (например, -лы, -оглы) связано с периодами Российской империи и СССР, когда проводилась унификация фамилий по русскому образцу.

Словообразовательно фамилия прозрачна: основа Муталим (личное имя) + суффикс -ов, указывающий на принадлежность («сын Муталима»). Ударение в русском языке обычно падает на второй слог: Мута́лимов, хотя в исходном имени ударным может быть последний слог.

В ономастических справочниках фамилия не относится к числу древних дворянских — она массово фиксируется в метрических книгах и переписях XIX–XX веков, в основном у крестьян и горожан. Редкие варианты написания — Муталлимов (с удвоенной «л») — отражают арабскую этимологию, но в русской записи чаще встречается одинарная «л».