Фамилия Протмлыу — редкий случай в русской ономастике. Сразу бросается в глаза её нетипичное окончание. В русском языке фамилии на -у, -ю, -ы, -и обычно имеют неславянское происхождение. Скорее всего, перед нами фамилия, русифицированная из языка народов Кавказа, Закавказья или, возможно, румыноязычного ареала (Молдавия). В молдавском и румынском языках фамилии на -у (вроде Друцэ, Караджиу) — обычное дело. Однако основа «Протмлы» не даёт однозначной этимологии ни в одном из этих языков.

Если мы попробуем разобрать корень как искажённое или записанное на слух «Протмлы», то можно предположить, что в основе лежит тюркское или кавказское прозвище или имя. В тюркских языках встречаются корни «прот» (от «борт» — часть чего-либо, или от «прот» — в значении «плохой» в некоторых диалектах) и «млы» (возможное искажение от «малы» — «скот», «имущество» или «молла» — «священнослужитель»). Таким образом, прозвище могло означать что-то вроде «плохой пастух» или «тот, у кого плохой скот» — но это лишь гипотеза, основанная на звуковом сходстве.

Вероятнее всего, фамилия Протмлыу — результат канцелярской записи. Переселенцы с южных окраин Российской империи, не имевшие фамилий, получали их при переписях по прозвищу отца или по месту жительства. Окончание -у могло быть добавлено чиновником для придания фамилии «русского» вида по модели белорусских или украинских фамилий на -у (типа Бортнику, Ковалю), но с чужеродной основой. Судя по редкости, фамилия локальна — возможно, она бытует в одной-двух деревнях на юге России (Краснодарский край, Ростовская область) или в Молдавии. Точно сказать, кем были предки — крестьянами, казаками или мелкими торговцами — без генеалогического исследования невозможно, но маловероятно, что они принадлежали к дворянству или духовенству: фамилии с такой нестандартной формой редко встречаются в высших сословиях.