Фамилия Анатолий — редкий случай, когда полное календарное имя закрепилось в родовом прозвании без каких-либо суффиксов. В русской традиции так поступали чаще с уменьшительными формами (Иванов, Петров), а неизменённое имя в роли фамилии — признак позднего, книжного происхождения. Обычно это указывает на искусственное образование, характерное для духовных училищ и семинарий: выпускникам могли дать фамилию по имени святого, в день памяти которого родился ученик, или по церковному празднику. Так появились Рождественские, Успенские, а также просторечные варианты вроде Троица или Анатолий.

Исследователь Борис Унбегаун в «Русских фамилиях» относит такие бессуффиксные образования к маркерам церковно-школьной номенклатуры. Само имя Анатолий — греческого происхождения, оно означает «восток» или «восход солнца» и в святцах связано с несколькими раннехристианскими святыми. Поскольку суффикс -ий в русских фамилиях нехарактерен (в отличие от украинского -ий или польского -i), носители фамилии почти наверняка принадлежали к духовному сословию. В дореволюционных источниках её можно встретить в клировых ведомостях и списках выпускников духовных академий центральных губерний, где располагались семинарии.

Встречается фамилия крайне редко. Иногда её путают с именем: в бытовой записи могли ошибочно написать «Анатолий» вместо «Анатольев» или «Анатольевский», но правильное написание — с окончанием -ий, без удвоения. Других версий происхождения, кроме семинарской, практически нет: основа «анатол-» не связана с ремеслом, прозвищем или местностью — это чисто календарное имя. Поэтому предки носителей фамилии Анатолий с высокой вероятностью были священнослужителями или выходцами из духовного сословия, получившими фамилию при поступлении в училище.