Фамилия Варнилов — редкий случай, когда основа не бросается в глаза, а суффикс подсказывает путь. Это типичная «патронимическая» фамилия, образованная по модели «-ов»: от личного имени или прозвища Варнил. Суффикс -ов указывает на принадлежность: «сын Варнила» или «из рода Варниловых».

Самая вероятная основа — каноническое крестильное имя Варнава. В разговорной речи, особенно в северных и сибирских говорах, имя Варнава часто усекали до Варна, Варня или Варнил. Форма Варнил могла возникнуть под влиянием других имён на «-ил» (Данил, Михаил). Таким образом, Варнилов — это «сын Варнила», а Варнил — народная форма библейского Варнавы. Имя Варнава в переводе с арамейского означает «сын утешения» или «сын пророчества», но в фамилии это значение стёрлось, осталась лишь родовая связь.

Менее вероятная, но возможная версия — связь с диалектным словом «варнак». В сибирских и уральских говорах варнаком называли бродягу, каторжника, беспокойного человека. В этом случае фамилия могла быть прозвищной: Варнил — человек с тяжёлым, «варначьим» нравом. Однако эта гипотеза слабее, потому что суффикс -ил не характерен для прозвищ от нарицательных существительных; такие прозвища обычно оформлялись как Варнак, а не Варнил.

Географически фамилия Варнилов тяготеет к северу России и к Сибири — регионам, где имя Варнава было особенно популярно (вспомним хотя бы Варнаву Ветлужского или старообрядческую традицию). В метрических книгах XIX века Варниловы встречаются в Вологодской, Архангельской и Тобольской губерниях. Это говорит о том, что предки носителей фамилии были, скорее всего, крестьянами или мещанами, а не дворянами — в дворянских родах такие просторечные формы почти не фиксируются.

В написании фамилии стоит обратить внимание на чередование: в некоторых документах можно встретить вариант Варнылов, где «а» переходит в «ы» под влиянием церковнославянского произношения имени Варнава. Однако современная форма Варнилов закрепилась как основная. Это редкая фамилия: она не входит даже в список 500 самых распространённых русских фамилий, что делает её особенно ценной для генеалогического поиска — ошибок с однофамильцами будет меньше.