Фамилия Натанилова — редкий случай, когда в основе лежит не имя и не прозвище, а библейское имя в его церковнославянской форме. Это женская форма фамилии Натанилов, и её происхождение напрямую связано с именем Нафанаил (от древнееврейского «Нетанэль» — «Бог дал»). В русской православной традиции имя Нафанаил встречалось в среде духовенства и монашества, но было мало распространено среди крестьян и купечества.

Суффикс -ов- в мужской форме Натанилов указывает на типичную модель образования от имени отца: «чей?» — Натанилов, то есть сын Натанила. Женская форма Натанилова сохраняет эту же основу, но с окончанием, указывающим на принадлежность к роду или на женщину как носительницу фамилии. В дореволюционной России такие фамилии нередко давались детям священников или церковнослужителей, где библейские имена были в ходу.

Встречаемость фамилии крайне низкая. В современных базах данных и телефонных справочниках Натаниловы и Натаниловы фиксируются в основном на юге России — в Ростовской области, Краснодарском крае, а также единично в Москве и Санкт-Петербурге. Это может указывать на локальное бытование фамилии, возможно, в среде казачества или духовенства южных епархий.

Интересно, что в написании часто путают «а» и «о» в первом слоге: встречаются варианты Нотанилова, что связано с акающим произношением. Но исходная форма — именно через «а», от имени Нафанаил, где «ф» перешло в «т» в просторечии (как в случае с Фёдор — Феодор, но в народе — Хведор). Такая замена «ф» на «т» — редкая, но известная в русской ономастике черта: она отражает народное переосмысление непривычного звука.