Фамилия Виртуозов — редкий случай в русской ономастике, когда в основе лежит слово, заимствованное из западноевропейских языков уже в Новое время. «Виртуоз» (от итальянского virtuoso — «доблестный», «одарённый») вошло в русский язык в XVIII веке и первоначально относилось к человеку, достигшему высшего мастерства в искусстве, чаще всего в музыке. Фамилия, образованная от этого слова, явно не могла возникнуть раньше петровской эпохи.

Суффикс -ов указывает на стандартную русскую патронимическую модель: «чей?» — «Виртуозов», то есть сын или потомок Виртуоза. Но здесь есть важный нюанс. В крестьянской и купеческой среде прозвища давали по профессии или характерной черте человека. Прозвище Виртуоз вряд ли могло возникнуть в глухой деревне — для этого нужно было либо владеть инструментом на высоком уровне, либо быть связанным с барским домом, где звучала музыка. Поэтому носители фамилии Виртуозов, скорее всего, происходят из среды крепостных музыкантов, капельмейстеров или настройщиков инструментов, работавших при усадьбах помещиков.

Менее вероятная, но возможная версия — ироничное прозвище. В народе могли назвать «виртуозом» ловкого мошенника, умелого плута или мастера на все руки, который с блеском выполнял любую работу. Однако в этом случае фамилия сохранила бы насмешливый оттенок, что для официальной записи в метриках было редкостью.

Фамилия Виртуозов не относится к числу распространённых. Встречается она преимущественно в центральных губерниях России и в Поволжье, где были развиты помещичьи усадьбы с собственными оркестрами и театрами. По сословной принадлежности её носители — почти поголовно бывшие крепостные или выходцы из мещан, получившие фамилию уже после отмены крепостного права, когда потребовалось зафиксировать всех жителей империи. Искусственное происхождение (от книжного, а не народного слова) делает эту фамилию своеобразным маркером: она указывает на занятие предка, а не на его личное качество.