Фамилия Всемирнова — редкий случай, когда за основу взято не имя, не профессия и не внешность, а географическое понятие в самом широком смысле. В отличие от распространённых «речных» фамилий (Волгин, Донской) или «городских» (Москвин, Тверитинов), здесь корень — «всемир», то есть «весь мир». Такое прозвище мог получить человек, много путешествовавший, бывавший в разных странах, или же, наоборот, тот, кого в деревенской обстановке считали слишком осведомлённым о дальних землях и событиях. В русских говорах слово «всемирный» иногда употребляли иронично — о человеке, который «везде бывал, всё знает».

Словообразовательная модель стандартна и прозрачна: суффикс -ов- указывает на принадлежность, то есть Всемирнова — дочь или жена Всемирнова. Мужская форма — Всемирнов — образована от прозвища Всемирный (или Всемир) по типу «чей сын?»: Всемирного сын → Всемирнов. Суффикс -н- в основе (Всемир-н-ов) — это суффикс прилагательного, который уже был в прозвище.

Географически фамилия тяготеет к центральным и южным областям России, встречается единично, что говорит о её позднем оформлении и отсутствии массового распространения. В дореволюционных метрических книгах Всемирновы фиксировались в основном среди крестьян и мещан — никакого дворянского или купеческого «всемирного» размаха за ними не числится. Это важно: прозвище могло быть шутливым или даже насмешливым — так в замкнутой сельской общине могли назвать мечтателя, путешественника или просто болтуна, рассказывающего о дальних странах.

Сравнение с однокоренными фамилиями — Миров, Мировой, Всемирский — показывает, что форма на -ов типична для прозвищной основы, в то время как -ский чаще давали семинаристам или выходцам из сёл с таким названием (село Всемирное существует, например, в Беларуси). Однако для фамилии Всемирнова именно прозвищное происхождение выглядит убедительнее: никаких следов топонимического переноса или искусственного семинарского образования в источниках не прослеживается.

Таким образом, предки носительницы фамилии Всемирнова, скорее всего, были крестьянами или мещанами, а родоначальник получил своё прозвище за широту кругозора, страсть к рассказам о дальних странах или просто за необычное для своей среды имя — Всемир.