Фамилия Битюмина — редкий случай, когда в основе лежит не имя, не профессия и не географическое название, а вещество. В прямом смысле — битум. При этом сразу оговоримся: едва ли предок носителя этой фамилии добывал или перерабатывал природный асфальт. Скорее всего, прозвище Битюм дали за внешность или характер человека — тёмного, липкого, «смолистого» (например, за густые чёрные волосы или прилипчивый нрав). В русских говорах слово «битюм» могло звучать и как «битум», и как «битюм» — с ударением на второй слог, что и закрепилось в фамилии.

Фамилия образована по стандартной модели: прозвище на -а (Битюма) плюс притяжательный суффикс -ин, означающий «чей?» — то есть «принадлежащий Битюме», «сын Битюмы». Наличие суффикса -ин, а не -ов, указывает на то, что исходное прозвище оканчивалось на -а или -я. Впрочем, возможен и более прозаичный вариант: в некоторых диалектах «битюмом» называли не только смолу, но и упрямого, тяжёлого на подъём человека (от «бить» и «тянуть»). В этом случае прозвище носило характер оценки поведения.

Географически фамилия тяготеет к южным и центральным регионам России, где были распространены нефтяные промыслы и смолокурни, но конкретных «гнёзд» фамилии в переписях не зафиксировано. Поскольку фамилия недворянская и не встречается в родословных книгах, её носители, скорее всего, происходили из крестьян или мещан. Ономастические словари (например, работы Б. Унбегауна) не выделяют фамилию Битюмин/-а в отдельную статью, но модель образования с суффиксом -ин от прозвищ, обозначающих материал или свойство, — типовая для русского ономастикона (сравните: Глинкин, Смолин, Маслов — последнее уже от масла, а не от имени).

В написании фамилии иногда встречается путаница: Битюмин или Битюмина — это мужской и женский варианты, а также возможна опечатка «Бетюмин» (от слова «бетон»), но это уже совсем другая история. Современные носители фамилии — люди редкой профессии или просто потомки того самого «смоляного» человека, прозвище которого закрепилось в документах и перешло в паспорт. Прямых знаменитостей с такой фамилией нет, что делает её ещё более уникальной для генеалогического поиска.