Фамилия Горлыкин образована по продуктивной русской модели с суффиксом -ин, который указывает на принадлежность: «чей?» — Горлыкин, то есть сын или потомок человека по прозвищу Горлыка. Основа здесь — не имя, а прозвище, и его происхождение прозрачнее, чем кажется на первый взгляд.

Прозвище Горлыка, скорее всего, связано с горлом — частью тела. В русских говорах «горлыка» могли называть человека с громким, зычным голосом, крикуна, или, наоборот, того, кто часто болел горлом. Встречается и ироничное значение: «горлыка» — пьяница, тот, кто часто «промывает горло». В ономастике такие прозвища не редкость: есть фамилии Горлов, Горланов, Горлань — все они отсылают к одной семантике. В словаре Б. Унбегауна «Русские фамилии» подобные примеры разбираются в разделе прозвищ по физическим и поведенческим признакам.

Спорная версия — связь с птичьим горлышком (например, горлышко соловья), но она менее убедительна: в русской антропонимии прозвища от частей тела встречаются чаще, чем от зоологических деталей. Ещё одна гипотеза — от слова «горлыка» как диалектного названия узкого прохода или горлышка сосуда, но такое значение редко давало личное прозвище.

Географически фамилия Горлыкин не привязана к одному региону: в переписных книгах XVII–XVIII веков встречаются Горлыкины в центральных губерниях (Рязанская, Тамбовская, Калужская) и на Русском Севере. Социальный состав носителей был смешанным: от крестьян до мелких служилых людей. В XX веке фамилия осталась редкой, не вошла в сотни самых частых, но сохранилась в нескольких десятках семей.

Суффикс -ин указывает на то, что фамилия сформировалась в среде, где было принято называть по отцу или по главе семьи: Горлыка — Горлыкин. Это типичная патронимическая модель, но с прозвищем в основе, а не с крестильным именем. Поэтому точного «святого покровителя» у фамилии нет, и её значение — чисто бытовое, из живого народного языка.