Фамилия Долбилина — женская форма от Долбилин, который восходит к прозвищу Долбило. В основе лежит глагол «долбить» с двумя разными смысловыми ветвями. Первая — бытовая ироничная: так могли назвать человека тугодума, которому всё нужно «вдалбливать» по многу раз. Вторая — профессиональная: Долбилом на Руси часто называли плотника или столяра, работа которого — выдалбливать пазы, чашки в брёвнах, делать долблёные лодки, корыта, ульи. Это более вероятная версия: прозвища по ремеслу давали гораздо чаще, чем за умственные особенности.

В исторических документах XV–XVI веков фамилия встречается именно в мужской форме Долбилов, и география ранних записей — Новгород и Арзамас. Среди носителей упомянуты Иван Афанасьевич Долбилов (конец XV века, Новгород), Афанасий Павлович (1592 год, Арзамас) и помещик Миленя Долбилов (1590 год, Арзамас). Это указывает, что к тому времени прозвище уже закрепилось как наследственное родовое имя, причём не только среди крестьян-ремесленников, но и у служилых людей-помещиков.

Суффикс -ин в фамилии Долбилина указывает на принадлежность: «чей?» — сын или дочь Долбилы. Модель типична для северных и центральных русских земель, откуда и происходят первые письменные упоминания. Форма на -а (Долбилина) — позднейшая, возникла в XIX–XX веках, когда в документах стали фиксировать женщин по отцу или мужу.