Фамилия Орионова — редкая и книжная по своему происхождению. В её основе лежит имя Орион, которое пришло в русский именослов вместе с христианством из греческого языка. В древнегреческой мифологии Орион — знаменитый охотник-великан, отличавшийся необычайной красотой и столь огромным ростом, что его имя стало нарицательным. Перевод имени на русский язык — «очарованный», что добавляет фамилии поэтический оттенок.

В православии имя Орион почитается благодаря нескольким святым покровителям: мученику Ориону Фракийскому, а также праведному Ориону и мученику Ориону, чьи жизнеописания закрепили имя в святцах. В народной среде оно, однако, не прижилось, оставаясь уделом церковной книжности или образованных слоёв населения.

Сама фамилия образована по стандартной модели притяжательных прилагательных: к основе Орион добавили суффикс -ов, а для женского варианта — окончание -а. Такая модель указывает на то, что родоначальника звали Орионом: Орионов буквально означает «сын Ориона», «принадлежащий Ориону». Встречается и мужская форма — Орионов, от которой женская Орионова образуется автоматически.

Исторические источники фиксируют фамилию в разных уголках России. В документах начала XX века упоминаются Орионов Александр Иванович, родившийся в 1873 году в Пензе, и Орионов Евгений Вячеславович, родившийся в 1908 году в Мензелинске. Разброс географии — от центральной России до Прикамья — говорит о том, что фамилия не была привязана к одному региону, а распространялась вместе с духовенством и разночинной интеллигенцией.

Стоит отметить, что путать фамилию с названием созвездия не стоит: созвездие Орион получило имя того же мифологического героя, так что смысловая связь здесь обратная — не небо дало имя человеку, а миф о человеке дал имя и созвездию, и фамилии.