Фамилия Нестарова — женская форма фамилии Нестаров, а та, в свою очередь, образована от мужского имени или прозвища Нестар. В основе почти наверняка лежит каноническое христианское имя Нестор, которое в русской народной среде часто упрощалось: теряло конечный согласный или меняло звучание. Имя Нестор, известное по древнегреческому мифу о мудром царе Пилоса, а затем по «Повести временных лет» (летописец Нестор), в бытовой речи крестьян и посадских людей XV–XVII веков легко превращалось в Нестер, а оттуда — в Нестар. Форма на -а (Нестара) могла возникнуть как ласкательное или просторечное обращение: Нестара, как Макара, Федора.

Суффикс -ов указывает на принадлежность: Нестаров — сын Нестара. Такая модель типична для русских фамилий XVI–XVIII веков и распространена по всей территории России, но особенно плотно встречается в северных и центральных губерниях, где имя Нестер было частым. В переписных книгах XVII века попадаются крестьяне и ремесленники с этим именем: например, в Вологодском уезде записан Нестерко Иванов, а в Новгородских писцовых книгах — Нестар, сын Федотка. От таких людей и пошли фамилии Нестеров, Несторов и, как вариант, Нестаров.

Фамилия Нестарова — более редкая по сравнению с массовой Нестеровой. В ней сохранился след именно народного, диалектного произношения: не «Нестер», а «Нестар» (с твёрдым «а»). Это может указывать на конкретный регион или даже на сословную среду — среди однодворцев и черносошных крестьян южных и рязанских земель «акающее» произношение закрепляло форму Нестар в документах. Таким образом, носительница фамилии Нестарова может вести род от крестьянина или посадского человека, которого в быту звали Нестаром, а в официальных бумагах записали по отцу — Нестаров.

Других версий происхождения, кроме как от имени Нестор/Нестер/Нестар, у этой фамилии нет. Связь с нестабильностью или словом «нестарый» — народная этимология, не выдерживающая проверки источниками.