Фамилия Горлышкин образована от прозвища Горлышко — уменьшительной формы слова «горло». Скорее всего, так называли крикливого, шумного человека, привыкшего добиваться своего громкими требованиями. Но не исключён и другой вариант: прозвище могли дать обладателю спокойного характера, но зычного, громкого голоса. Менее вероятно, что Горлышком прозвали человека с длинной шеей — такая версия уступает по правдоподобию «голосовой».

Однокоренные именования встречаются в документах с XVI века. У С. Б. Веселовского упоминаются князь Третьяк Иванович Горло Вяземский и великокняжеский охотник Андрей Горлов (1533 год). Эти примеры показывают, что прозвище Горло бытовало в разных слоях общества — от служилых людей до князей.

Словообразовательная модель здесь простая: к основе «горлышк-» добавили типичный русский суффикс принадлежности «-ин». Фамилии на «-ин» обычно указывали на родство с человеком, названным по прозвищу или имени: чей? — Горлышкин, то есть сын или потомок Горлышка. Такой тип фамилий особенно распространён в северных и центральных областях России, где «-ин» конкурировал с «-ов».

Интересно, что фамилия Горлышкин встречается реже, чем более распространённая Горлов. Обе образованы от одного корня, но уменьшительная форма «Горлышко» придаёт фамилии оттенок бытовой, возможно, даже ласкательной характеристики. В крестьянской среде такие прозвища часто закреплялись за людьми с заметной внешностью или яркой манерой поведения — и фамилия Горлышкин, скорее всего, возникла именно в такой среде.