Фамилия Нафанаилов — редкий случай, когда в основе лежит не крестильное имя, а его греческая форма, причём не самая распространённая. Большинство носителей фамилий от имени Нафанаил (в русской традиции — Нафанаил) оканчиваются на -ов: Нафанаилов. Но здесь суффикс -ов присоединён к основе, которая уже содержит окончание -ил, что создаёт двойную «и». Это не ошибка, а особенность словообразования: имя воспринималось как цельное, без усечения, поэтому фамилия звучит как «сын Нафанаила».

Само имя Нафанаил восходит к древнееврейскому «Нетанъэль» — «Бог дал» (дословно «дар Божий»). В Новом Завете это один из апостолов, которого Иисус назвал «истинным израильтянином, в котором нет лукавства». В русском быту имя встречалось редко, в основном в монашеской среде или у старообрядцев, которые держались за редкие библейские имена. Поэтому фамилия Нафанаилов — не крестьянская массовая, а скорее церковная или посадская: её могли дать сыну священника, дьячка или торгового человека, который носил это имя.

Географически фамилия тяготеет к южнорусским и украинским землям, а также к старообрядческим общинам Поволжья. Встречаются варианты написания: Нафанаилов и Нафанайлов (с одной «и»), но первый — более точный с точки зрения этимологии. В XIX веке носители фамилии фиксировались в документах как мещане, купцы и священнослужители — в основном в Курской, Харьковской и Самарской губерниях.

Сравнение с однокоренными фамилиями (Нафанаилов, Нафанаильский, Нафанаиловский) показывает, что форма на -ов — самая прямая и древняя, без книжных суффиксов -ский, которые часто добавляли в семинарской среде. По сути, Нафанаилов — это фамилия-отчество, которая не успела обрасти дополнительными наслоениями, и в этом её ценность для историка: она почти без искажений доносит до нас редкое библейское имя.