Фамилия Желтоусова образована от прозвища Желтоус. Оно составное: прилагательное «желтый» (в старом языке — «цвета солнца, золота», а также «рыжий») и существительное «ус». Прямое значение — «желтый ус», но, скорее всего, прозвище указывало не на цвет усов, а на общую внешность. Желтоусом могли назвать человека со светлыми, соломенными или рыжими волосами — на Руси такие оттенки часто объединяли словом «желтый». В говорах «желтый» могло означать и «бледный, болезненный», но для прозвища эта версия менее вероятна.

Модель образования фамилии простая и типичная для восточнославянских фамилий: прозвище на согласный плюс суффикс -ов/-ев, указывающий на принадлежность («чей?» — сын Желтоуса). Фамилия закрепилась в мужской форме Желтоусов, а Желтоусова — женская или исходная форма в родительном падеже. Подобные составные прозвища с корнем «ус» (Белоус, Черноус, Кривоус) встречались в крестьянской и посадской среде, где человека часто называли по заметной черте.

География фамилии неширокая, но устойчивая: носители встречаются в Поволжье и на Урале, что говорит о возможном переселении или закреплении прозвища в этих регионах в XVII–XVIII веках. В документах фамилия нередко писалась через «о» — Желтоусов, хотя в устной речи могла звучать и как Желтоусов. Вариант Желтоусова встречается реже, но фиксируется в метрических книгах XIX века.

Прозвище Желтоус, в отличие от многих других, почти не давало двусмысленных трактовок: оно прямо описывало внешность, а не характер или занятие. Поэтому потомок человека, носившего такое прозвище, со временем получил фамилию, которая хранит память о его облике. В отличие от фамилий, образованных от профессий или имен, Желтоусова — редкий случай, когда в основе лежит конкретная и наглядная примета предка.