Фамилия Чернозатонская — редкий пример «географической» фамилии, образованной не от названия крупного города, а от урочища или небольшого поселения при речной зато́ни. Основа здесь — «Чёрный Затон»: зато́нью в русских говорах называют речной залив, заводь, часто тихую и глубокую. Определение «чёрный» в таких топонимах обычно указывает не на цвет воды, а на густой лес по берегам, тёмное илистое дно либо на «чёрный» (незамерзающий) характер затона.

Суффикс -ск- и окончание -ая выдают типичную модель прозвищных фамилий дворянского или духовного сословия: так называли тех, кто владел землёй при Чёрном Затоне или служил в храме, приписанном к этому месту. В крестьянской среде такие фамилии почти не встречались — там преобладали -ов/-ев или -ин. Поэтому Чернозатонские, скорее всего, потомки однодворцев (служилых людей на южных рубежах), мелкопоместных дворян или священников, получивших фамилию по названию своего прихода.

Сложность в том, что точный топоним «Чёрный Затон» не закрепился на картах как крупный населённый пункт. Это говорит в пользу версии с урочищем или хутором, который исчез или сменил имя. В Поволжье и на Урале, где речные затоны — обычное дело, встречаются сёла с похожими названиями (например, Затоны в Самарской области), но с прилагательным «чёрный» они редки. Возможно, фамилия ведёт начало из бывшей Симбирской или Казанской губернии, где в XVIII веке фиксировались однодворцы с фамилиями на -ский.

Словообразовательная модель «основа прилагательного + затон + -ск-» почти не имеет аналогов среди русских фамилий. Ближайшие параллели — Белозёрский, Краснопольский, но у них прозрачная география. Чернозатонская стоит особняком: её корень не тиражирован, что делает фамилию крайне локальной, привязанной к одному-двум родам.

Если искать однокоренные фамилии, то это, например, Чернозатонов — вариант, где суффикс -ов заменил -ский, что характерно для поздней канцелярской записи фамилий в XIX веке. Но Чернозатонская сохранила более архаичную форму, указывающую на землевладение или службу, а не на простое прозвище.