Фамилия Тахтагулова образована от мужского имени Тахтагул, которое бытовало у тюркских народов, в первую очередь у татар и башкир. Основа имени — два компонента: «тахта» (от арабского «тахт» — трон, престол, возвышение) и «гул» (от тюркского «куль» — раб, слуга, или от персидского «гюль» — цветок, роза). В зависимости от того, какое значение вкладывали в слово «гул», смысл имени меняется. Если «гул» — это «слуга», то Тахтагул означает «слуга трона», то есть человек, приближённый к власти, слуга правителя или высшего сана. Если же «гул» — «цветок», имя переводится как «цветок трона», «престольный цветок» — почётное, украшающее именование, которое могли дать долгожданному или любимому ребёнку.

Суффикс «-ова» в конце указывает на принадлежность: Тахтагулова — «дочь (или жена) Тахтагула». По русской словообразовательной модели, заимствованной из славянской традиции, фамилии на «-ов/-ева» образовывались от имён и прозвищ, оканчивающихся на твёрдый согласный. Здесь основа «Тахтагул» дала форму «Тахтагулов», а женский вариант «Тахтагулова» закрепился как фамилия для женщин и стал использоваться как общая фамилия рода.

Географически фамилия Тахтагулова встречается преимущественно в Татарстане, Башкортостане, а также среди татарской диаспоры в Оренбургской, Челябинской и Самарской областях. Это редкая фамилия, не входящая в сотни самых распространённых, что говорит о её локальном происхождении — скорее всего, от конкретного родоначальника, жившего в определённой деревне или ауле. Сословно носители фамилии могли быть как крестьянами, так и служилыми татарами (мурзами), поскольку имя «Тахтагул» не было строго простонародным — оно встречалось и в среде мелкой знати.

В ономастических справочниках (например, в работах Г. Ф. Саттарова по татарским именам) имя Тахтагул фиксируется как традиционное, но не массовое. Спорных версий происхождения немного — вторая, менее правдоподобная, связывает «тахта» с тюркским «такта» (доска, планка), что маловероятно для личного имени, так как такой корень не даёт осмысленного антропонима. Надёжнее опираться на арабское «тахт» — это подтверждается и параллельными именами (Тахтамыш, Тахтабай).