Фамилия Вязмитинов — редкий случай, когда географическое название сохранилось почти без изменений, но с неочевидным суффиксальным оформлением. В основе лежит топоним Вязмитино или Вязмитиново — так назывались деревни и усадьбы в центральной России, преимущественно в Тульской, Рязанской и Калужской губерниях. Название этих поселений, в свою очередь, восходит к речке Вязьме или к слову «вязь» — топь, болотистая низина, поросшая вязким илом. Корень здесь тот же, что и в названии города Вязьма, но с уменьшительным суффиксом -ит-: Вязмита — небольшая топкая речка или болотце.

Словообразовательная модель Вязмитинов — патронимическая, но не самая ходовая. Обычно фамилии от названий сел образовывали с помощью суффикса -ский (Вяземский). Здесь же мы видим цепочку: основа Вязмитин (житель деревни Вязмитино) плюс фамильный суффикс -ов. То есть Вязмитинов — буквально «сын Вязмитина», где Вязмитин — прозвание человека, который либо родился в этой деревне, либо владел ею. Такая модель встречается реже, чем -ский, и чаще фиксируется в среде служилых людей и однодворцев, а не в дворянских родах, которые предпочитали «княжеский» суффикс.

Фамилия не принадлежала к числу массовых. В дореволюционных справочниках она встречается эпизодически, в основном в Тульской и Калужской губерниях. Известный носитель — генерал от инфантерии Николай Вязмитинов (конец XVIII — начало XIX века), но его фамилия, скорее всего, того же топонимического происхождения, а не от личного имени. В советское время фамилия не исчезла, но осталась малочисленной.

Если сравнивать с однокоренными, то Вяземский — «княжеский» вариант, Вязмитин — более простонародная форма без суффикса -ов, а Вязмитинов — самая полная, с указанием на отчество от прозвища. Ударение в фамилии — на второй слог: Вязми́тинов, хотя в говорах могли ставить на третий.