El topónimo Sos procede del nombre personal SOSUS, atestiguado como cognomen, bien directamente o bien a partir de la estructura VILLA + nombre del poseedor en genitivo, con posterior pérdida del núcleo y evolución lingüística regular: (VILLA) SOSI > Sause (938), Sose (1044) > Sos (1014). Los repertorios de nombres antiguos recogen también variantes que conducen a una explicación similar (SOSIUS, SOSSIUS, SOSIS, SOSO). Como es común en el latín tardío y medieval, la forma Sause (938) es una ultracorrección del copista que escribió el documento e interpretó la vocal /-ó-/ como el resultado de la monoptongación regular de un diptongo tónico /-áu-/ que etimológicamente no existe.

La mención honorífica del Rey Católiclo que acompaña el topónimo base se oficializó a través de una Real Orden de 9 de enero de 1925 publicada un día más tarde en la Gaceta de Madrid (n.º 10, p. 113). La Real Orden está firmada en nombre del rey Alfonso XIII por el Vicepresidente del Consejo de Ministros, el general Severiano Martínez Anido, y está dirigida al Gobernador Civil de Zaragoza. El párrafo final de la Real Orden dispone lo siguiente: "S. M. el Rey (q. D. g.) se ha servido acceder a los solicitado por el Ayuntamiento de la villa de Sos, la que en lo sucesivo se denominará Sos del Rey Católico".

Beltrán (Beltrán_1969, 108) relacionó el nombre de Sos y de otros lugares próximos como Sigüés o Sangüesa con nombres indígenas del lugar. Unos años más tarde Caro Baroja (1981) retomó esta sugerencia a propósito de algunos de los nombres de la Turma Salluitana registrados en el famoso Bronce de Áscoli; concretamente, los nombres de Sosinasae y el de sus hijos Sosinadem y Sosimilus. De esta relación dedujo la posibilidad de que "acaso estos nombres nos dan una pista para pensar, de modo concreto, que en los antropónimos ibéricos del siglo I a. J. C. se usaban nombres de origen toponímico" (Caro Baroja, 1981, 4). Hay una evidente relación formal entre el antropónimo SOSUS y similares y algunos de los nombres indígenas del Bronce de Áscoli, si bien estos nombres ibéricos se censan como *sosin / *sosun / *susin (MLH III, 232, n.º 109) y resulta difícil de justificar lingüísticamente la pérdida de /-n/. No obstante, en su clásico estudio sobre la onomástica personal primitiva de Hispania Albertos no descartó "alguna relación con el radical de los nombres Sosianus, Sossianus, Sosiola, etc." (OnomPersonal, 211-212). Por su parte, Silgo (2009, 149) relaciona este formante con el vasc. zezen 'toro'.

En 1979 Francisco Marco incluyó escuetamente el topónimo Sos del Rey Católico en el apartado genérico de “Toponimia preindoeuropea” (Marco_1979, 161). En uno de sus artículos sobre la toponimia navarroaragonesa del valle del Ebro (1982) Juan Antonio Frago estimó que Sos deriva del adverbio latino SŪRSUM ‘hacia arriba’, de donde procede el antiguo adverbio castellano suso ‘arriba, de arriba’, frecuente en la toponimia orográfica de muchas áreas (Frago_Ebro_IV, 58). Sin embargo, ninguna de las formas documentadas de que disponemos (Sause, Sose, Sos) permite establecer esta etimología, ni en lo que respecta al vocalismo, ni tampoco al consonantismo, en donde no se constata ninguno de los estadios evolutivos intermedios (-RS- > -ss- > -s-) por los que el étimo latino SŪRSUM conduce al resultado de suso. Por otra parte, la utilización del adverbio antiguo suso en la toponimia aparece generalmente como término preposicional de un topónimo principal que funciona como núcleo del sintagma, en muchos casos con la preposición de como enlace (San Millán de Suso en La Rioja; Campoo de Suso en Cantabria; Barriosuso en Burgos; Viladesuso en Pontevedra). Por último, el adverbio antiguo suso contiene en toponimia una función deíctica y señalizadora de posición relativa en el espacio y funciona habitualmente como miembro de una correlación, de suso (arriba) / de yuso (abajo), componiendo un campo semántico por oposición (San Millán de Suso / San Millán de Yuso en La Rioja; Villasuso / Villayuso en Cantabria).

Carlos Jordán (2013, 694-695) planteó explorar la posibilidad de que la raíz *sos-, que identifica en el segmento sosinestana mencionado en la Tabula Contrebiensis, sea una raíz hidronímica de origen arqueoindoeuropeo. Aduce, para ello, la presencia de hidrónimos aragoneses como Sas, Sis, Sosa, que nombran distintas acequias y barrancos de Huesca, o Sus, río de Teruel.