Фамилия Астратонов — один из тех редких случаев, когда в основе лежит не полное церковное имя, а его народная переделка. Исходное имя — Евстратий, которое в русском просторечии сократили до Астрат. Усечение до двух-трёх слогов было обычным делом: полные имена в быту резали для удобства произношения. Отсюда же пошли фамилии Астратов, Астраханцев (через другое производное) и, собственно, Астратонов.

Суффикс -ов работает по типичной модели «чей сын?»: Астратонов буквально означает «потомок Астратона». Двойное -он- в середине — результат присоединения суффикса к основе, оканчивающейся на -он: Астратон + ов. Именно это написание отличает фамилию от более простой Астратов.

Само имя Евстратий восходит к греческому «эустратос» — «хороший воин, доблестный воитель». Значит, далёкий предок носителя этой фамилии, скорее всего, был назван в честь святого Евстратия Севастийского, одного из сорока мучеников. В быту имя Астрат чаще встречалось в южнорусских и украинских землях, где любили сокращённые формы церковных имён.

В документах фамилия фиксируется с XVIII века, преимущественно среди крестьян и мещан центральных и южных губерний. Дворянских родов с такой фамилией не отмечено — это чисто народная, «низовая» фамилия, выросшая из живого языка, а не из канцелярского списка. Спорных версий здесь нет: корень прозрачен, а альтернативные толкования (от греческого «астрон» — звезда) лингвисты отвергают, так как суффиксальная модель указывает на имя, а не на нарицательное слово.