Фамилия Тамилова — женская форма, образованная от мужской Тамилов. Её основа — прозвище или нецерковное имя Тамило. В древнерусском языке слово «тамить» означало «медлить, мешкать, тянуть время». Соответственно, Тамилой могли прозвать медлительного, неторопливого человека, либо того, кто часто опаздывал или задерживал других. В говорах встречалось и слово «тамливый» — «вялый, нерасторопный».

Модель образования фамилии — типичная для северных и центральных областей России. Суффикс -ов (в женском роде -ова) указывает на принадлежность: Тамилов — буквально «сын Тамилы». В этом смысле фамилия родственна таким же «характерологическим» прозвищным фамилиям, как Гуляев (от «гуляй»), Молчанов (от «молчун»), Скородумов.

Встречается и версия, что Тамило — форма крестильного имени, например, сокращение от Фалалей (в просторечии Талалей) или от Вассиан (через вариант Васьян). Но она менее убедительна: прямое соответствие «тамить — Тамила» лежит на поверхности и подтверждается старорусскими документами. В актах XV–XVII веков упоминаются крестьяне Тамила Иванов, Тамила Ондреев — без всякой связи с церковными именами.

Географически фамилия Тамиловы чаще всего встречается в Вологодской, Архангельской и Костромской областях — там, где диалектная лексика дольше сохраняла слово «тамить». Социальный состав предков — в основном крестьяне и посадские люди, реже — служилые «по прибору». Дворянских родов Тамиловых в «Бархатной книге» и Гербовнике нет, что подтверждает народное, а не аристократическое происхождение фамилии.