Фамилия Челматкина — женская форма фамилии Челматкин, и её разбор стоит начать с мужского варианта, потому что именно он хранит ключ к происхождению. В основе фамилии лежит прозвище или нецерковное имя Челматок. Это уменьшительно-ласкательная форма от более старого прозвища Челмак или Челман.

Корень здесь — «челм-». В русских говорах, особенно северных и уральских, «челма» или «чёлма» означала «чело», «лоб», а также «высокое место», «холм». В пермских и вятских диалектах «челма» — это «головной убор», «кичка» (женский убор с высоким верхом). Таким образом, прозвище Челмак могли дать человеку с высоким лбом, живущему на возвышенности, либо тому, кто носил или делал характерный головной убор. Второе значение подтверждается тем, что слово «челмак» в некоторых говорах означало «мастер по изготовлению челм».

Суффикс «-аткин» (через форму Челматок) — редкий и интересный. В русской антропонимии суффикс «-атк(а)» часто образовывал прозвища от глаголов или от существительных с оттенком уменьшительности, иногда с пренебрежением. Но в данном случае «Челматок» — это скорее уменьшительное от «Челмак», по модели «сын Челмака» → «Челматкин». Фамилия образована по типичной притяжательной модели: «чей?» — «Челматкин», то есть «сын Челматка».

Географически фамилия Челматкин (и Челматкина) тяготеет к северо-востоку европейской части России. Наибольшая концентрация носителей исторически фиксируется в Вятской губернии (современная Кировская область) и в Пермском крае. Это подтверждает диалектную привязку слова «челма» именно к этим регионам. Встречается фамилия и в соседних областях — Удмуртии, Татарстане, но значительно реже.

Сословная принадлежность предков Челматкиных, скорее всего, была крестьянской или посадской. Сложная, недворянская модель образования (с суффиксом «-аткин» вместо стандартного «-ов») и регион бытования указывают на происхождение из среды государственных или черносошных крестьян Вятской земли. Никаких известных дворянских родов с этой фамилией не зафиксировано.

Если сравнивать с однокоренными, то ближайшие родственники — фамилии Челмаков, Челманов и Челмин. Они образованы от той же основы «челм», но с другими суффиксами. Челматкина стоит в этом ряду особняком из-за редкого суффикса «-аткин», что делает её более региональной и диалектной по звучанию.