Фамилия Натанилов — редкий случай, когда в основе лежит не исходная форма имени, а его видоизменённая, «испорченная» народным произношением версия. В её корне — каноническое библейское имя Нафанаил (из древнееврейского «Нетанъэль» — «Бог дал»). Церковное «Нафанаил» в быту звучало тяжеловесно, и его упростили до формы Натанил, выбросив срединный слог «фа». Такая адаптация — типичный пример народной этимологии, когда неудобное для произношения имя «обкатывают» до более привычного звучания.

Суффикс -ов указывает на классическую русскую модель образования отчества или прозвища: Натанилов буквально означает «сын Натанила». Фамилия строится по той же схеме, что и Иванов, Петров, Сидоров, но с той разницей, что имя-основа — не повседневное, а редкое, книжное, пришедшее через церковный обиход. Владелец такой фамилии — потомок человека, которого в документах или в быту записали как Натанил.

Географически фамилия тяготеет к регионам, где была сильна старообрядческая или просто набожная среда, — в среде староверов библейские имена давали чаще, чем в остальном крестьянстве. Встречается она в основном в центральных областях России и в Поволжье, но крайне редко. По данным переписей, число носителей не превышает нескольких сотен человек по всей стране.

Интересно, что в написании фамилии иногда путают «а» и «о»: встречается вариант Натонилов, но он ошибочен — исходное имя через «а» (Натанил). Есть и однокоренные родственные фамилии: Натанильский, Натанилев, а также более частый вариант — Нафанаилов, который ближе к церковной норме. Натанилов же — форма простонародная, прошедшая через устную речь.