Фамилия Муталлимова — относительно редкий случай в русском ономастиконе, который почти наверняка ведет происхождение не из славянской, а из тюркской или арабо-персидской среды. Её основа — мужское имя или прозвище Муталлим. В арабском языке «мута’аллим» (متعلّم) означает «учащийся», «ученик», «обучающийся». Это слово — причастие от глагола «та’аллама» (учиться). Соответственно, первый носитель этого имени или прозвища в роду мог быть человеком грамотным, учившимся в медресе, либо просто получил такое имя при рождении в семье, где ценили образование.

Фамилия образована по русской модели: к основе Муталлим добавлен притяжательный суффикс -ов, а затем женское окончание -а. Формально это типичная «русская» фамилия в женском роде, но её географическое бытование почти целиком привязано к регионам с татарским, башкирским или кавказским населением. Встречается в Татарстане, Башкортостане, в Дагестане, а также среди азербайджанцев. Мужской вариант — Муталлимов.

Интересно, что в отличие от многих фамилий на -ов, образованных от крестильных имён (Иванов, Петров), здесь основа не имеет отношения к православным святцам. Фамилия Муталлимова — яркий пример того, как русская словообразовательная модель «наложилась» на восточное имя, закрепив его в паспортной системе Российской империи и СССР. Носители фамилии, скорее всего, происходят из среды мусульманского духовенства или купечества, где знание арабской грамоты и Корана было обычным делом. Встречаются и варианты написания с одной «л» — Муталимова, но основной, этимологически верный вариант — с удвоенной, отражающей арабскую грамматику.