Фамилия Гельштейн — яркий пример ашкеназской еврейской фамилии, образованной по географическому принципу. Её основа — немецкая топонимика, а точнее, два элемента: «Гель» и «штейн». Первая часть восходит либо к слову «gelb» (жёлтый), либо к названию местности, например, к реке Гель (Gel) или городу Гельн (Geln). Вторая часть — «штейн» (Stein) — означает «камень» и в еврейских фамилиях часто указывала на место жительства: город, деревню или характерный ландшафт. Таким образом, Гельштейн — это «жёлтый камень» или «камень из местности Гель». Такие составные фамилии были особенно популярны в Германии и Австро-Венгрии в конце XVIII — начале XIX века, когда евреям предписывалось взять постоянные фамилии.

Модель образования здесь — чисто немецкая, без славянских суффиксов. Фамилия не получила типичного русского окончания -ов или -ин, потому что попала в восточноевропейский обиход в уже готовом, неизменном виде. Это отличает её от многих фамилий, которые адаптировались под местную грамматику. Гельштейн осталась «немецкой» по форме, хотя носители жили в черте оседлости Российской империи.

Споров о происхождении немного. Правдоподобнее всего версия с топонимом: в Германии есть несколько мест с похожими названиями, например, Гельштайн (Gelstein) в Баварии. Версия о прозвище по цвету камня (жёлтый камень — известняк или песчаник) возможна, но менее вероятна, так как такие прозвища редко становились основой для фамилий без дополнительного контекста.

Социально фамилия не указывает на конкретное ремесло или сословие. Её носители в XIX веке могли быть как ремесленниками, так и торговцами, а позже — представителями интеллигенции. В дореволюционной России фамилия встречалась преимущественно на западе империи, в губерниях с высокой концентрацией еврейского населения. После эмиграции в XX веке Гельштейны рассеялись по миру, и сегодня её можно встретить в Израиле, США, Германии и странах бывшего СССР.