Фамилия Новосильнова — женская форма фамилии Новосильнов, и её основа, скорее всего, связана не с «новым городом», а с конкретным географическим названием. В пользу этой версии говорит суффикс -ов, типичный для фамилий, образованных от названий населённых пунктов или прозвищ по месту жительства. Если бы фамилия происходила от прозвища «Новосильный» (например, «обладающий новой силой»), она скорее имела бы форму Новосильцев или Новосильский. А вот Новосильнов прямо указывает на топоним.

Наиболее вероятная основа — название древнего русского города Новосиль (ныне райцентр в Орловской области). Впервые упоминается в летописи под 1155 годом. Житель этого города назывался «новосилец», а приезжий, переселившийся в другую местность, мог получить прозвище Новосильнов — то есть «выходец из Новосиля». Такая модель образования фамилий (по названию города с суффиксом -ов) была распространена в XVI–XVII веках: ср. Кашинов, Рязанов, Тверитинов. В данном случае суффикс -ов закрепился за прозвищем, которое указывало на прежнее место жительства.

Менее распространённая, но возможная версия — связь с рекой Новосильновкой (приток Оки) или с урочищем, где когда-то стоял «новый сил» — так в некоторых говорах называли новый овин или новую постройку для сушки снопов. Однако эта гипотеза слабее: документальных подтверждений существования такого нарицательного слова в русских говорах нет, а топоним Новосиль хорошо известен.

Встречаемость фамилии Новосильнов в современных справочниках невысока. Она фиксируется в основном в центральных и южных областях России — в Тульской, Орловской, Липецкой областях, что косвенно подтверждает связь с историческим Новосилем. В дореволюционных метрических книгах эта фамилия изредка встречается среди крестьян и мещан Орловской губернии. Таким образом, предки носителей фамилии Новосильнова с высокой вероятностью были выходцами из Новосиля или его окрестностей, переселившимися в другие уезды в XVII–XVIII веках.