Фамилия Атерлей — редкий случай в русском ономастиконе. В ней нет ни одного из привычных славянских суффиксов (-ов, -ин, -ский), которые обычно подсказывают, что перед нами русская фамилия. Это сразу наводит на мысль о заимствовании, и география подсказывает вероятный источник: фамилия Атерлей встречается среди потомков выходцев из Шотландии, осевших в России в XVIII–XIX веках.

Основа фамилии — шотландская фамилия Atherley (встречается также написание Atherly). В Шотландии она образована от топонима: так называется местность в графстве Ланкашир (Atherleigh), а само название восходит к древнеанглийским словам «æppel» (яблоко) и «lēah» (поляна, луг). Буквально — «яблоневый луг». В русском языке шотландское окончание -ley/-ly закрепилось в форме -лей, что типично для адаптации британских фамилий: ср. Маклей (Maclay), Баркли (Barclay).

В России фамилия Атерлей могла появиться через военную или инженерную службу — шотландцев часто приглашали в армию и на заводы при Петре I и Екатерине II. Носители фамилии, скорее всего, принадлежали к обрусевшим дворянским или офицерским родам иностранного происхождения. В крестьянской среде эта фамилия не встречается.

С точки зрения словообразования, это чистая основа без суффиксальной прибавки — так называемая «окаменевшая» фамилия, которая не склоняется в русском языке по правилам притяжательных прилагательных. Именно эта особенность часто вызывает путаницу: в быту фамилию могут пытаться склонять («нет Атерлея»), но по правилам заимствованных фамилий на согласный она остаётся неизменной у мужчин и женщин (Иван Атерлей, Анна Атерлей).

Аналогов по модели образования среди исконно русских фамилий нет, но можно провести параллель с фамилиями Лермонтов (от шотландского Learmonth) или Гамильтон (адаптированное Hamilton). Все они — свидетельства волн европейской иммиграции, которые оставили в России необычные, запоминающиеся фамилии без типичных славянских окончаний.