Фамилия Небыльцова — женская форма от Небыльцов, а её основа лежит в необычном прозвище Небылец. В русских говорах слово «небыль» означало вымысел, небылицу, то, чего не было. Человек, получивший прозвище Небылец, мог быть рассказчиком небылиц, выдумщиком или, наоборот, тем, кого подозревали во лжи. Впрочем, не исключён и более простой бытовой подтекст: так могли прозвать ребёнка, родившегося в семье, где долго не было детей, — «небывалого», долгожданного.

Фамилия образована по продуктивной русской модели: прозвище на -ец (Небылец) плюс типичный патронимический суффикс -ов. Получается Небыльцов — буквально «сын Небыльца». Форма на -цова указывает на замужнюю женщину или дочь из рода Небыльцовых. Ударение, скорее всего, падает на второй слог: Небыльцо́ва, хотя в разных говорах могло смещаться.

Географически фамилия редкая и, судя по современным данным, тяготеет к центральным и южным областям России — встречается в Воронежской, Тамбовской, Ростовской областях. Это говорит о том, что прозвище бытовало в среде крестьян и однодворцев. Интересно, что корень «небыль» мог также относиться к некоему отсутствующему или несуществующему предмету — в старину говорили: «Это небыль, небывальщина». Так что прозвище могло быть ироническим: человека называли Небыльцом в насмешку над его фантазиями или необычной внешностью.

В отличие от фамилий, образованных от крестильных имён (Иванов, Петров), Небыльцова — чисто прозвищная, мирская. Она не связана с церковным календарём, а значит, её носители в XVI–XVII веках могли быть людьми, выделявшимися характером или речью. Суффикс -ец в основе (Небылец) типичен для северных и центральных говоров, но сама фамилия не получила широкого распространения — это редкий случай, когда прозвище не стало массовым.