Фамилия Бухалин принадлежит к числу «прозвищных» фамилий, образованных по самой распространённой в русском языке модели: от основы на -а (Бухала) с помощью притяжательного суффикса -ин, который буквально означает «чей?» — «сын Бухалы». Вопрос лишь в том, что именно означало это прозвище. В украинском языке глагол «бухати» имел широкий спектр значений: от «издавать глухой звук» до «бить, стрелять» и «пить хмельное». Поэтому прозвище Бухала могло указывать либо на воина, либо на человека с громкой, глуховатой речью, либо, в переносном смысле, на любителя выпить.

Однако есть и менее очевидная, но географически конкретная версия. В Тверской области протекает река Бухаленка. По этой гипотезе, фамилия могла возникнуть не от прозвища, а от названия места жительства: человека, жившего на берегах Бухаленки, могли прозвать Бухала, а его потомки стали Бухалиными. Такая модель — от гидронима через прозвище — встречается реже, но вполне возможна для северных и центральных регионов России.

В исторических источниках фамилия не теряется. О.Н. Трубачёв в своих этимологических разысканиях отмечал связь корня «бух» со звукоподражательными глаголами в славянских языках. С.Б. Веселовский в «Ономастиконе» упоминает родственную фамилию: Бухалов Федор, крестьянин, 1490 год, Переяславль. Это говорит о том, что прозвище бытовало уже в XV веке, а значит, и фамилия Бухалин могла сформироваться достаточно рано. Прямой связи между тверским гидронимом и переяславским крестьянином нет, но оба случая подтверждают древность и устойчивость этой корневой основы в русской антропонимии.