Фамилия Арбузин — редкий вариант на фоне более привычной фамилии Арбузов, и разница между ними не только в окончании, но и в модели образования. Если Арбузов — это прямое притяжательное прилагательное от слова «арбуз» (чей? — Арбузов), то Арбузин указывает на принадлежность к человеку с прозвищем или мирским именем Арбуза. Суффикс -ин здесь работает по той же схеме, что и в фамилиях Пушкин, Ильин или Галкин: он крепится к основе на -а, то есть к прозвищной форме, а не к нарицательному существительному в чистом виде.

Прозвище Арбуза могли дать по двум линиям. Первая — ремесленная или торговая: человек выращивал арбузы на юге или возил их на продажу. Вторая — внешняя: в народной речи «арбузом» нередко называли круглого, дородного человека. В некоторых говорах это значение перевешивало связь с бахчой, и прозвище закреплялось за толстяком вне зависимости от его занятий. Именно эта вторая версия объясняет, почему фамилия Арбузин встречается не только в южных регионах, где арбузы растут в изобилии, но и в центральной России, и даже на Урале. Переселенцы уносили прозвище с собой, а местные жители могли дать его просто по внешнему сходству.

Словарь Б. Унбегауна относит основу «арбуз» к так называемым «вкусовым» прозвищам, которые давались по аналогии с едой, но подчёркивает, что форма на -ин возникает обычно в среде, где были употребительны краткие, уменьшительные или ласкательные варианты имени или прозвища. То есть Арбуза — это не просто «человек, похожий на арбуз», а скорее «Арбуз, но по-свойски, по-домашнему». Такие формы бытовали в крестьянской и мещанской среде, где фамилии часто закреплялись за потомками по прозвищу отца.

В писцовых книгах XVI–XVII веков встречаются упоминания крестьян и посадских людей с именем Арбуз, но сама фамилия Арбузин, скорее всего, оформилась позже, в XVIII–XIX веках, когда шло массовое присвоение фамилий по прозвищам отцов. Дворянских родов с такой фамилией не зафиксировано — социальный состав носителей оставался преимущественно крестьянским и мещанским. Это типичная русская патронимическая фамилия, которая сохранила в своей основе не столько профессию, сколько живой народный взгляд на человека.