Фамилия Штарнов — один из тех случаев, когда русское окончание скрывает нерусскую основу. Если отбросить патронимический суффикс -ов, остаётся корень «Штарн». В исконно русских фамилиях такого корня нет, искать его нужно в немецком языке. Скорее всего, в основе лежит немецкое слово «Stern» — «звезда». Однако прямой переход «Stern» в «Штарн» фонетически неочевиден. Более точный вариант — южнонемецкая или баварская фамилия «Starn», которая могла быть диалектным вариантом того же «Stern». В баварских говорах звук «е» перед «r» часто переходит в «а»: Stern произносится как «Schtarn». Отсюда один шаг до фамилии Штарн, которая при русификации получила стандартное русское окончание -ов.

По модели образования фамилия Штарнов — типичный пример адаптации иноязычного прозвища или фамилии предка. Немец, носивший фамилию Штарн (или Штерн), попав в русскую среду, автоматически становился Штарновым. Это мог быть колонист, приглашённый в Россию при Екатерине II, или мастер, работавший по контракту. В немецкой ономастике фамилия Stern могла быть как прозвищем (например, «звездочёт», «человек со звездой на доме»), так и топонимической — от названия деревни Штерн.

Стоит учесть и менее вероятную, но возможную версию: связь с польским словом «sztern» (заимствование из немецкого, означающее «звезда»). В этом случае фамилия могла бытовать на западных окраинах Российской империи, где польское влияние смешивалось с немецким. Однако для фамилии Штарнов, а не Штернов, польская версия слабее — в польском языке форма «sztern» редка и книжна.

Таким образом, носитель фамилии Штарнов почти наверняка имеет предка немецкого происхождения, который обрусел в XVIII–XIX веках. Фамилия нечастотна, распространена в основном в центральной России и Поволжье — регионах, где исторически селили немецких колонистов.