Фамилия Думалкина образована от прозвища Думалка. Слово «думалка» в старину не было официальным термином, но в народной речи так могли назвать вдумчивого, рассудительного человека, который не рубит с плеча, а сначала обдумает дело. Прозвище закреплялось за тем, кто выделялся умом, грамотностью или склонностью к советам и размышлениям. В отличие от более распространённых прозвищ, образованных от занятий или внешности, Думалка — редкий пример характеристики внутреннего склада ума.

Модель образования фамилии проста: суффикс -ин указывает на принадлежность («чей?» — сын Думалки). Это типичный патроним для северных и центральных русских говоров, где фамилии на -ин так же часты, как на -ов. Форма Думалкина — женский вариант, но в исторических документах, если речь о мужчине, писали Думалкин.

В говорах слово «думалка» могло иметь и ироничный оттенок: так дразнили медлительного или чересчур задумчивого человека. Однако в основе фамилии, скорее всего, лежит уважительное прозвище — в крестьянской среде советчика и грамотея ценили. Фамилия редкая, встречается в основном на севере и северо-востоке Европейской России, где суффикс -ин особенно распространён. Других версий происхождения, например от названия профессии или географического объекта, нет — корень однозначно отсылает к глаголу «думать».