Фамилия Битумина — редкий случай, когда в основе лежит не одно слово, а целое составное прозвище Битуми. Его разбирают по двум корням, и оба указывают на тюркскую среду, скорее всего, среднеазиатскую.

Первая часть — «би» — восходит к тюркскому «бег» или «бек»: властитель, господин. У народов Средней Азии этот титул носили землевладельцы и родовая знать. Вторая часть сложнее. Предположительно, она связана со словом «тума» — так у тюрков называли детей, рождённых вне брака от князя и рабыни или наложницы. То есть прозвище Битуми могло означать «бекский тума» — человек знатного происхождения, но не вполне легитимного статуса.

Есть и другая версия: «тума» — название одного из казахских родов (племени). Если так, то Битуми — указание на родовую принадлежность: «бек из рода Тума». В любом случае прозвище фиксировало социальное положение и происхождение, а не внешность или ремесло.

Фамилия образована по стандартной русской модели: к основе Битуми добавили суффикс -ин, указывающий на принадлежность («чей?» — Битумин). Такая модель типична для фамилий, возникших из прозвищ или имён, оканчивающихся на -а, -я. Фамилия Битумина — женская форма, мужская — Битумин.

Других распространённых версий — от географического названия или от профессии — для этой фамилии нет. Встречается она редко, что косвенно подтверждает её узкое, возможно, локальное происхождение в среде тюркского населения, позже вошедшего в состав Российской империи.