Фамилия Улунова — женская форма, а её мужской вариант — Улунов. В основе, скорее всего, лежит тюркское слово «улу» — «великий», «старший», «большой». В татарском, башкирском, казахском и других тюркских языках «улу» (или «улы») — распространённый компонент имён и прозвищ, указывающий на старшинство, статус или размер. Так могли назвать старшего сына, уважаемого человека или просто рослого, крупного мужчину.

Менее вероятна, но возможна связь с русским диалектным словом «улун» — так в некоторых говорах называли ленивого, неповоротливого человека. Однако тюркская версия выглядит убедительнее: фамилия Улунов встречается в Поволжье, на Урале и в Западной Сибири — в регионах, где веками соседствовали русские и тюркские народы. Если предки носителя фамилии жили, скажем, в Оренбургской или Астраханской губернии, то «улу» как основа — почти наверняка тюркское заимствование.

Суффикс -ов указывает на русскую модель образования фамилий от прозвищ или имён. В данном случае он присоединился к основе «Улун» (усечённый вариант от «Улу» с добавлением звука «н» для благозвучия). Подобные переходы характерны: например, от имени Улугбек в русской среде могло возникнуть прозвище Улун, а от него — фамилия Улунов.

В дореволюционных источниках фамилия фиксируется в единичных записях, в основном среди крестьян и мещан. Дворянских родов с такой фамилией не обнаружено — это однозначно простонародная, «географическая» фамилия, закрепившаяся в среде русских, обрусевших татар или башкир. Сегодня Улуновы встречаются редко, но стабильно — в Татарстане, Башкортостане и Челябинской области.