Фамилия Шамухутдинов — тюркская по происхождению, но с арабской основой. Её ядро — составное арабское имя Шамухутдин (или Шамухатдин), которое состоит из двух частей: «шамух» (с арабского — «возвышенный», «высокий») и «дин» («вера», «религия»). В целом имя означает «возвышенность веры» или «высокий в религии». Такие имена с компонентом «дин» (Гайнутдин, Саляхутдин, Хайрутдин) были особенно популярны у мусульманских народов, в том числе у татар и башкир, и означали религиозное достоинство или стремление к благочестию.

Фамилия образована по стандартной русской модели: к основе Шамухутдин добавили суффикс -ов. Так в XIX — начале XX века, при проведении переписей и паспортизации, из отчества (Шамухутдинович) или прозвания по отцу (Шамухутдин) делали наследственную фамилию. Этот суффикс — самый распространённый в русских и русифицированных тюркских фамилиях. Вариант с суффиксом -ин («Шамухутдин») встречался бы, если бы основа оканчивалась на -а или -я, но здесь стык с согласной, поэтому -ов.

Географически фамилия Шамухутдинов чаще всего встречается среди татар, особенно в Татарстане и Башкортостане, а также в среде башкир и других тюркоязычных народов Поволжья и Приуралья. Встречаются и более редкие варианты написания — Шамухатдинов, где вторая часть имени записана через «а» (хат), что может отражать местный диалектный говор или вариант арабского написания.

Споров вокруг фамилии немного: корень прозрачный, арабский, и этимологическая версия с «возвышенностью веры» — основная и бесспорная. Некоторые могут ошибочно связывать «шамух» с тюркским словом «шам» (свеча, светильник), но это народная этимология: арабский корень ш-м-х («быть высоким, возвышаться») здесь первичен. В целом фамилия указывает на то, что предок носителя был человеком, получившим имя с религиозным смыслом, вероятно, в среде мусульманского духовенства или просто в семье, чтившей исламские традиции.