Фамилия Серомолотов — один из тех случаев, когда прозвище, лёгшее в основу, можно восстановить почти буквально. Она образована по стандартной русской модели с суффиксом -ов, который указывает на принадлежность: «сын Серомолота». Основа здесь — прозвище Серомолот. Оно составное: первая часть «серо-» почти наверняка восходит к прилагательному «серый» в значении «некрашеный, невзрачный, простой» или же «седой». Вторая часть — «молот». Самая прямая версия: Серомолотом называли кузнеца, работавшего с простым, некалёным железом, или мастера, который из-за седины или бедности выглядел «серым». В русских говорах «серый» могло означать и «нечистый на руку», но в паре с «молотом» это маловероятно — скорее уж прозвище по ремеслу.

Фамилия редкая и не встречается в массовых боярских или дворянских родословных. Её география тяготеет к южнорусским и донским областям — именно там были сильны традиции прозвищ по профессии, и там же фиксируются ранние упоминания однокоренных фамилий (Молотов, Молотков). В отличие от фамилий на -ин (типа Серомолдин), суффикс -ов здесь указывает на более позднюю, но всё ещё архаичную форму патронима, типичную для XVI–XVII веков.

Любопытно, что фамилия не даёт однозначного ответа, был ли предок именно кузнецом. В некоторых диалектах «молот» могло быть прозвищем бойкого, напористого человека. Но сочетание с «серо» всё же склоняет к бытовой, ремесленной трактовке: скорее всего, первый Серомолотов — это потомок человека, которого в деревне знали как «серого молота», то есть кузнеца, работавшего заурядно или, наоборот, выделявшегося сединой и опытом. Другие версии (от имени Сергей или от тюркских корней) выглядят натянутыми и не подтверждаются ни фонетикой, ни ареалом фамилии.