Фамилия Самотойлова — редкий случай, когда прозвище «схвачено» сразу двумя суффиксами, что сразу выдаёт её позднее происхождение. Основа — «Самотой» или «Самотойло». Первое, что приходит на ум, — диалектное слово «самотой» в значении «сам себе господин», «вольный», «независимый человек». В некоторых говорах так называли упрямца или того, кто делает всё по-своему, не слушая советов. В украинском и южнорусском наречиях «самотой» — это ещё и «одиночка», «бобыль», живущий без семьи и без привязки к общине.

Словообразовательная цепочка здесь нестандартная. Сначала от прозвища «Самотой» образовали форму «Самотойло» — с южнославянским или украинским суффиксом -ойло, который придаёт прозвищу оттенок ласкательности или, наоборот, иронии (сравните: «Михайло», «Василь»). А уже от «Самотойло» по русской модели появилась фамилия Самотойлов — и далее женская форма Самотойлова. То есть это не прямой патроним от имени, а вторичное образование от прозвищной формы.

Географически фамилия привязана к югу России и востоку Украины. В дореволюционных переписях Самотойловы встречаются в Воронежской, Курской губерниях и в Области Войска Донского. Там «самотой» было не столько оскорблением, сколько бытовой характеристикой: так могли назвать казака-одиночку, не примкнувшего ни к одному куреню, или крестьянина, который отказался входить в артель. В среде донских казаков прозвище могло закрепиться за человеком, который ушёл «в самоволку» — жить своим хозяйством без оглядки на станицу.

Версия о связи с топонимом (например, с рекой Самотой или селом Самотойка) маловероятна: таких названий в массовом порядке не зафиксировано. Зато есть параллель с фамилией Самотягин — от «самотяга» (тянущий сам, без помощи). Оба корня отражают одну модель: человек, полагающийся только на себя. Так что предок Самотойловых, скорее всего, был либо упрямым одиночкой, либо вольным казаком, либо просто человеком, за которым закрепилось прозвище за независимый нрав.