Фамилия Нартымов образована по самой распространённой в русском языке модели — с суффиксом -ов, который указывает на принадлежность: «чей?» — Нартымов, то есть сын или потомок человека по прозвищу (или имени) Нартым. В центре внимания — основа «Нартым», которая и требует разбора.

Самая вероятная версия связывает фамилию с тюркскими корнями. В ряде тюркских языков (татарском, башкирском, казахском) слово «нарт» или «нарты» может означать «гранатовое дерево», «гранат» или, в переносном смысле, «сильный», «могучий» (ср. с осетинским «нарт» — богатырь, герой эпоса). Суффикс -ым в тюркских именах часто образует притяжательные формы или ласкательные варианты. Таким образом, Нартым могло быть личным именем или прозвищем, данным человеку крепкого телосложения, либо имевшему отношение к гранату (например, торговец фруктами). Фамилия могла возникнуть в среде татар, башкир или других тюркских народов, а затем, при переходе в русскую среду, получить стандартное окончание -ов.

Менее вероятная, но допустимая версия — от русского диалектного слова «нарта» (сани, используемые народами Севера). В этом случае прозвище Нартым мог получить мастер по изготовлению нарт или возчик. Однако такая трактовка встречается реже, так как суффикс -ым нехарактерен для русских прозвищ, образованных от существительных (обычно было бы Нартов или Нартовщик).

Географически фамилия Нартымов встречается в основном в Поволжье и на Урале — регионах, где исторически тесно переплетались русские и тюркские культуры. Встречается она нечасто, что говорит о её относительно локальном происхождении. Сословно предки Нартымовых, скорее всего, были крестьянами или мещанами, а в тюркской среде — возможно, служилыми людьми или торговцами.

Сравнение с однокоренными фамилиями (Нартов, Нартаев, Нартынов) показывает, что основа «Нарт» довольно продуктивна, но именно вариант с суффиксом -ым и последующим -ов — один из самых редких, что делает фамилию Нартымов заметной в ономастическом плане.