Фамилия Выстрелков образована по одной из самых распространённых в русском языке моделей: от прозвища с суффиксом -ко, к которому добавили патронимический суффикс -ов. Прозвище Выстрелко, лёгшее в основу, напрямую связано с нарицательным «выстрел» — явлением, которое происходит при стрельбе из огнестрельного оружия. В русских говорах суффикс -ко часто придаёт прозвищу оттенок фамильярности или иронии, так что Выстрелко могло быть не просто описанием, а шутливым или даже поддразнивающим именем.

Скорее всего, прозвище закрепилось за военным человеком — стрелком, пушкарём или охотником, чья профессия напрямую связана с выстрелами. Но есть и вторая версия: так могли назвать человека очень быстрого, порывистого, «как выстрел» — мгновенного в движениях или решениях. В пользу этого говорит то, что в русских фамилиях нередко встречаются прозвища по внутренним качествам или манере поведения, а не только по роду занятий.

Сама фамилия Выстрелков — сравнительно редкая. Она не встречается в старых боярских списках или родословных книгах, что указывает на её позднее происхождение, скорее всего, из крестьянской или однодворческой среды. В XIX веке фамилии с «говорящей» основой нередко давали кантонистам или солдатским детям, но в случае Выстрелковых это лишь одно из возможных объяснений.

Интересно, что в некоторых регионах России фамилия могла писаться с буквой «о» под ударением — Вы́стрелков, что сохранило бы исходное значение прозвища как характеристики человека. Со временем прозвище Выстрелко закрепилось за конкретным человеком в качестве наиболее употребительного именования, а его потомки получили фамилию Выстрелков.