Фамилия Айтхалин — редкий случай в русском ономастиконе, и её разбор упирается в географию и этнический контекст. Скорее всего, перед нами фамилия тюркского происхождения, адаптированная русским суффиксом -ин. Основа «Айтхал» или «Айткал» восходит к казахскому, башкирскому или татарскому имени, которое образовано от двух корней: «ай» (луна, месяц) и «тхали» (вариант «ткали» — могучий, крепкий, или от глагола «айт» — говорить, рассказывать). В тюркской антропонимии имена с компонентом «ай» часто давали детям, родившимся в новолуние, или как пожелание красоты и ясности. Суффикс -ин в русской модели указывает на принадлежность: «чей?» — Айтхалин, то есть сын или потомок Айтхала.

Вторая версия, менее распространённая, связывает фамилию с топонимом. В Казахстане есть село Айтхал (в Кызылординской области), и фамилия могла быть дана выходцу оттуда. Однако для русской фамильной традиции типичнее прозвищная или именная основа, чем топонимическая, если только носитель не был переселенцем, получившим фамилию по месту прежнего жительства при записи в ревизские сказки.

Особенность фамилии — её суффикс. В отличие от массовых -ов/-ев, суффикс -ин в тюркских заимствованиях встречается реже и обычно указывает на более позднюю или индивидуальную русификацию. В XIX веке, когда оседали кочевые народы, многие башкиры, казахи и татары получали фамилии именно по имени отца с русским окончанием. Айтхалин — пример такой фиксации: имя Айтхал (или Айткул) перестало быть личным и стало родовым.

Никаких громких исторических носителей этой фамилии в открытых источниках не зафиксировано, что типично для локальных, недворянских родов. Сословно предки Айтхалиных, скорее всего, относились к государственным крестьянам или казачьему сословию (на Урале или в Оренбуржье), где тюркские фамилии встречались часто. Споров о происхождении корня нет: тюркская основа очевидна, а русский суффикс — просто следствие администрирования империи.