Фамилия Екатрина — редкий случай, когда в основе женское крестильное имя, причём в усечённой, народной форме. Полное церковное имя Екатерина (от греч. «катарина» — чистая, непорочная) в быту часто сокращали до Катерина, а в некоторых говорах — до Екатрина. Именно этот вариант, с выпадением слога, и лёг в основу фамилии.

Модель образования здесь простая: имя + суффикс -ин, указывающий на принадлежность. В древнерусской традиции суффикс -ин присоединяли к основам на -а/-я, и получалось «чей?» — «Екатринин сын». Со временем притяжательное прилагательное застыло в форме фамилии. По такой же схеме возникли, например, Маринин, Наташин, Ольгин, но Екатрина стоит особняком — из-за редкого исходного имени.

Антропонимисты (в частности, Б. Унбегаун в «Русских фамилиях») отмечают, что фамилии от женских имён в русской традиции встречаются реже, чем от мужских. Обычно их давали, если мать была вдовой или играла главную роль в семье, либо если ребёнок был внебрачным. Однако в случае с Екатриной не исключён и другой сценарий: прозвище Екатрина мог получить мужчина, например, за особую привязанность к женщине с таким именем или за исполнение женских ролей в обрядах.

Географически фамилия тяготеет к южнорусским и украинским землям, где аканье и редукция гласных сильнее, и форма «Екатрина» вместо «Екатерина» звучала естественно. Встречается она и в старых переписных книгах Курской, Воронежской губерний, но массовой никогда не была. Это штучная, «однодворческая» фамилия, не расплодившаяся на тысячи носителей.

Спорных версий здесь немного. Можно было бы предположить связь с греческим «катарина» напрямую, через греческую диаспору, но суффикс -ин выдаёт чисто славянскую, а не заимствованную модель. Поэтому основная и самая правдоподобная гипотеза — бытовое имя Екатрина, которое и закрепилось за потомками.