Фамилия Бутыльская образована по самой распространённой в польской, украинской и белорусской ономастике модели — с помощью суффикса -ск-. В русской традиции такие фамилии чаще всего принадлежали дворянам или духовенству, но могли возникнуть и у крестьян, переселившихся из западных губерний. Основа фамилии — слово «бутыль» (большая бутылка, сосуд). Прозвище Бутыль мог получить либо бондарь, делавший такую тару, либо человек, торговавший вином или маслом на разлив, либо просто полный, грузный мужчина — по сходству с округлым сосудом.

Женская форма Бутыльская указывает, что исходная мужская фамилия — Бутыльский. Носительница этой фамилии — скорее всего, потомок того самого Бутыльского, который в XVI–XVII веках жил на землях Речи Посполитой или в западных русских уездах. География фамилии сегодня неширокая: чаще всего она встречается на Украине, в Белоруссии и в южных областях России. В центральных и северных регионах России фамилия редкая, что подтверждает её западнославянское или малороссийское происхождение.

Сравнение с однокоренными фамилиями — Бутырин, Бутырский, Бутыльцев — показывает разницу в суффиксах. -ин и -ев типичны для центральной России, а -ск- — для шляхетских и казачьих родов. Если Бутырин мог произойти от прозвища Бутыря (неуклюжий человек), то Бутыльский — от прозвища Бутыль, которое чаще связывали с ремеслом или торговлей, а не с характером.

Спорных версий у фамилии немного. Иногда её ошибочно связывают с топонимом Бутыль (такого населённого пункта в известных источниках нет), но это маловероятно: фамилия явно прозвищная, а не географическая. В словаре Б. Унбегауна «Русские фамилии» подобные образования описаны как типичные для западнорусского ареала, где -ский становилось маркером не только дворянства, но и просто «человека из такого-то места или с таким-то занятием».