Фамилия Пеструилова — женская форма от мужской Пеструилов, а та, в свою очередь, образована от прозвища или нецерковного имени Пеструило. В основе лежит слово «пёстрый», но не в современном бытовом смысле «разноцветный», а в древнерусском значении, которое было шире: «пятнистый», «рябой», «пегий» или «с неровным цветом лица». Прозвище Пеструило мог получить человек с рябинами от оспы, с родимыми пятнами, веснушками, а также тот, кто носил пёструю, заплатанную одежду.

Словообразовательная модель здесь редкая и архаичная. Суффикс -ил-о в русских прозвищах и фамилиях встречается нечасто. Он характерен для имён, выражающих яркий, часто неодобрительный признак: Говорило (болтун), Воротило (силач или зазнайка), Косилко (косоглазый). Пеструило — из того же ряда: прозвище давали по внешнему признаку, который бросался в глаза. Затем к основе добавился типичный русский фамильный суффикс -ов, указывающий на принадлежность: «сын Пеструила».

С географической точки зрения фамилия тяготеет к северным и центральным регионам России. Встречается она в основном в бывших вотчинах Новгорода, в Вологодской и Архангельской губерниях, а также в Поволжье. Это объясняется тем, что прозвища на -ило были особенно живучи в северных говорах, где сохранялась архаичная лексика. В документах XVII–XVIII веков встречаются крестьяне и посадские люди с фамилией Пеструилов, что говорит о её недворянском происхождении: это фамилия крестьянская или мещанская, без приставки «фон» или «де».

Интересно, что в некоторых говорах слово «пеструило» могло означать не только человека, но и предмет — например, пёстро окрашенное перо или пучок разноцветных ниток. В этом случае прозвище могло закрепиться за ремесленником-красильщиком или ткачом, работавшим с пёстрыми узорами. Однако основная версия — указание на внешность — остаётся более правдоподобной, так как прозвища по цвету кожи или волос были одними из самых частых в русской антропонимии.

Сравнение с однокоренными фамилиями — Пестров, Пестриков, Пеструхин — показывает, что Пеструилов стоит особняком именно из-за суффикса. Если Пестров — прямое прилагательное («сын Пёстрого»), то Пеструилов — производное от глагольной формы, что делает его более древним по структуре. Это не фамилия-ярлык, а фамилия-история, сохранившая живую речь допетровской Руси.