Фамилия Устюмова, скорее всего, образована от прозвища или мирского имени, и её основа не так прозрачна, как у фамилий на -ов от крестильных имён. Здесь мы видим характерный суффикс принадлежности -ов, указывающий на то, что перед нами отчество: «чей?» — Устюмов, то есть сын Устюма. Основа фамилии — Устюм — и есть главная загадка.

Самая вероятная версия связывает Устюм с топонимом Устюг, точнее, с его диалектным или просторечным произношением. В русских говорах, особенно северных, нередко происходила замена звуков, и «Устюг» мог превратиться в «Устюм» или «Устюма» (сравните: «смягчение» звука «г» в «м» в некоторых словах). В таком случае фамилия Устюмов (а женская форма Устюмова) — это указание на выходца из города Великий Устюг или Устюжского уезда. Человека, переселившегося в другую местность, могли прозвать «Устюм» или «Устюма» — по месту прежнего жительства. Это типичная модель для русских фамилий: Москвин, Тверитинов, Вологжанинов.

Менее распространённая, но допустимая версия — от личного имени Устим, народной формы канонического имени Иустин (от латинского justus — «справедливый»). В диалектах «Устим» могло звучать как «Устюм» под влиянием аканья или местного произношения. В этом случае фамилия Устюмова — патроним, то есть «дочь Устюма», а её носительница происходит от человека по имени Устим (Иустин).

Географически фамилия тяготеет к северным и северо-восточным областям России, что косвенно подтверждает версию о связи с Устюгом. Встречается она относительно редко, что говорит о локальном происхождении — возможно, из одного села или волости, где жил род Устюмовых. В отличие от фамилий на -ский, которые часто носили дворяне, Устюмова — типично крестьянская, «уличная» фамилия, закреплённая в документах после отмены крепостного права. Предки носительницы этой фамилии, скорее всего, были государственными или помещичьими крестьянами Русского Севера.