Фамилия Зулхарнаева — редкий случай в русском ономастиконе. Она явно не славянского происхождения, и её разбор требует обращения к восточным языкам, прежде всего к арабскому и тюркским. Основа фамилии — мужское имя Зулхарнай (Зульхарнай, Зулкарнай), которое является вариантом арабского Зу-ль-Карнайн («обладатель двух рогов»). В исламской традиции это прозвище (лакаб) Александра Македонского, которого в Коране почитают как праведного царя и пророка. «Два рога» могли символизировать власть над Востоком и Западом или же боевой шлем с рогами.

Суффикс -ев в окончании указывает на русскую адаптацию фамилии по модели «чей?» (чьих будете?). То есть Зулхарнаева — дочь или жена человека по имени Зулхарнай. Форма на -а (женская) говорит о том, что фамилия закрепилась в русской среде через женскую линию или просто в качестве общей фамилии для всех членов семьи. В тюркских языках (татарском, башкирском, казахском) такая фамилия могла бы звучать как Зулхарнаев, что и является её мужским вариантом.

Носители фамилии, скорее всего, происходят из народов Поволжья, Северного Кавказа или Средней Азии, где исламские имена с корнем «Зуль-» (Зульфикар, Зульфат) встречаются часто. В XIX — начале XX века при переписях и паспортизации такие имена записывали на русский лад, добавляя суффикс принадлежности. Отдельного внимания заслуживает написание через «Зу» (а не «Зю»): это указывает на арабский источник, где буква «заль» даёт звук, близкий к русскому «з». Вариант «Зюлхарнаева» был бы тюркским переосмыслением (с переходом «у» в «ю» под влиянием мягкого «л»), но в данном случае мы видим более точную транслитерацию исходного имени.

Учитывая редкость фамилии (в открытых базах данных её носители исчисляются единицами), можно предположить, что родословная семьи неширокая и, вероятно, имеет чёткую географическую привязку — например, к одному из аулов или деревень в Татарстане или Дагестане. Сословно предки могли быть крестьянами или духовными лицами (муллами), так как имя Зулкарнай в мусульманской среде давали в знак учёности или благочестия.