Фамилия Гатауллин образована от арабского мужского имени Гатаулла — «дар Аллаха». Это имя, популярное в тюрко-мусульманской среде, давали ребёнку как благодарность за долгожданное рождение. Фамилия построена по простой модели: к основе Гатаулла прибавили русский суффикс принадлежности -ин, который означает «чей?» — сын Гатауллы, потомок Гатауллы. Такая модель типична для татарских, башкирских и других фамилий Поволжья и Урала, где арабское имя соединилось с русским патронимическим суффиксом.

В самой основе — арабский корень «ата» (дар) и «Аллах» (Бог). Гатаулла — одно из теофорных имён, напрямую указывающих на божественный дар, что роднит его с библейскими именами вроде Матфей («дар Яхве») и Иоанн («Бог милует»). В быту имя могло звучать как Гатаулла, Гата или Гатау. Отсюда же — фамилии Гатаулов, Гатаев, Гатауллин — все они восходят к одному корню, но Гатауллин сохранил полную форму имени.

Географически фамилия чаще всего встречается среди татар и башкир, особенно в Татарстане, Башкортостане и соседних областях. Встречается и у казахов, но реже и с другим ударением. В русских переписях XVII–XIX веков такие фамилии не фиксировались, потому что мусульманское население не входило в ревизские сказки наравне с крестьянами. Массовый учёт начался только после 1917 года, когда паспортизация затронула все народы СССР.

С точки зрения словообразования, Гатауллин — яркий пример того, как арабское имя через тюркское посредничество попало в русскую фамильную систему. Суффикс -ин здесь не просто «русский», а показатель сыновства, который в тюркских языках передавался бы иначе (например, -оглы). Социально носители фамилии — потомки крестьян, ремесленников и мулл, потому что имя Гатаулла было распространено и в духовной среде, и в простонародье. Никаких дворянских родов с этой фамилией в России не существовало, что тоже говорит о её народном происхождении.