Фамилия Паламонова — женская форма, а её основа, мужская фамилия Паламонов, образована от имени или прозвища Паламон. В русской ономастике это довольно редкий случай, когда в основе лежит не каноническое церковное имя, а, скорее всего, греческое «Паламон» (Παλαμών) — имя святого, почитаемого в православии. Святой Паламон был отшельником IV века, жившим в Египте, и его имя в переводе с греческого означает «борец» или «атлет» (от «пале» — борьба). Однако в русской среде это имя никогда не было распространённым, поэтому фамилия могла возникнуть не напрямую от крестильного имени, а через прозвище.

Прозвище Паламон могли дать человеку с заметной физической силой, борцу или задире, либо же оно было связано с внешностью (например, с коренастым, «сбитым» телосложением). В пользу этой версии говорит и то, что в русских говорах слово «паламонить» иногда означало «шумно спорить, ссориться», что также могло стать источником прозвища. Таким образом, первый носитель фамилии Паламонов — это сын или потомок человека по прозвищу Паламон.

Суффикс -ов указывает на типичную русскую патронимическую модель: «чей?» — Паламонов, то есть принадлежащий Паламону. География фамилии тяготеет к южнорусским и центральным областям, встречается в казачьей среде и на бывших территориях Дикого поля, где прозвища, отражающие бойцовские качества, были особенно уместны. В дворянских родословных эта фамилия не зафиксирована, что указывает на её происхождение из крестьянской, мещанской или казачьей среды.

Отдельного внимания заслуживает акцент: в фамилии Паламонов ударение чаще всего ставят на третий слог (Паламо́нов), что отличает её от более известной фамилии Паламо́нов с тем же корнем, но другим происхождением (от греческого «палама» — ладонь). Впрочем, в бытовой речи встречаются и варианты с ударением на второй слог. Для женской формы Паламонова ударение сохраняется на том же месте.

В целом, фамилия Паламонова — это редкий пример того, как греческое имя, не ставшее популярным в святцах, закрепилось в русском быту через прозвище, отражающее характер или род занятий предка.