Фамилия Астюлькин — редкая и неочевидная с точки зрения происхождения. Если отбросить интуитивное желание искать в ней корень «астюльк-», которого в русском языке нет, то становится ясно: перед нами типичная «малая» русская фамилия, образованная с помощью суффикса принадлежности -ин. Суффикс -ин в русской ономастике крепится к основам, оканчивающимся на -а или -я. Значит, в основе фамилии лежит некое имя или прозвище Астюлька.

Самая вероятная версия: Астюлька — это народная, обиходная форма крестильного имени. Скорее всего, это производное от канонического имени Анастасий (мужская форма от Анастасия) или от имени Астерий (от греческого «звёздный»). В русской деревне сложные греческие имена часто «упрощали» до неузнаваемости: Анастасий мог превратиться в Астаха, Асташа, Астюшу, а затем и в Астюльку. Суффикс -юль- в данном случае выполняет ту же роль, что и в именах Татьяна — Танюля, Анна — Анюта: придаёт ласкательный, уменьшительный оттенок. Таким образом, Астюлькин — буквально «сын Астюльки», то есть потомок человека, которого в быту звали уменьшительно от Анастасия или Астерия.

Менее вероятная, но допустимая версия связывает фамилию с прозвищем от диалектного слова. В некоторых южнорусских говорах «астюлька» или «остюлька» могло обозначать небольшой осколок, щепку или занозу (сравните с «остулок» — обломок). Прозвище Астюлька в таком случае мог получить либо очень худой, щуплый человек, либо, наоборот, мастер, работающий с деревом и щепой (например, бондарь или корзинщик). Однако эта версия слабее: слово «астюлька» не фиксируется в авторитетных словарях русских говоров как устойчивое, а значит, скорее всего, перед нами именно антропонимическая (именная) основа.

Географически фамилия тяготеет к Поволжью и западным регионам России. Встречается она редко, что указывает на позднюю фиксацию (скорее всего, в XIX веке) и на то, что родоначальник был выходцем из крестьянской или мещанской среды — именно в этих сословиях были распространены патронимические фамилии на -ин, образованные от разговорных форм крестильных имён. Сравните с однокоренными, но более частыми фамилиями: Асташкин, Астахов, Астюхов — все они восходят к тому же корню, но с разными суффиксами. Астюлькин — самая редкая ветвь этого гнезда, сохранившая уникальный уменьшительный вариант.