Фамилия Варламова образована от мужского крестильного имени Варлаам. Её основа — разговорная форма Варлам, которая в русском языке вытеснила полный церковный вариант. Имя Варлаам арамейского происхождения, в переводе означает «сын Божий».

В истории христианства известно восемь святых с этим именем. Один из наиболее почитаемых на Руси — преподобный Варлаам Серпуховской, строитель и первый настоятель Владычнего монастыря. Ещё при жизни он имел дар чудотворения и удостоился видения Богородицы. Более 500 лет к его мощам приезжают паломники, получая исцеления от беснования, рака, пьянства и других болезней. Однако популярность имени в народе определялась не только церковным почитанием, но и тем, что оно звучало привычно для крестьянской и рабочей среды. Поэтому основная масса носителей фамилии — потомки простых людей, а не духовенства.

Модель образования типична для русских фамилий: суффикс -ов присоединился к основе Варлам, указывая на принадлежность («чей?» — Варламов сын). Со временем окончание -а закрепилось за женской формой фамилии, но в быту и документах обе формы — Варламов и Варламова — существуют как парные.

С точки зрения словообразования интересно, что фамилия сохранила именно народный, «обмирщённый» вариант имени, а не книжный Варлаамов. Это говорит о том, что предки современных Варламовых в большинстве своём не были книжниками или священнослужителями, а принадлежали к тем слоям, где имя бытовало в устной, упрощённой форме.