Фамилия Карабалкин входит в ряд русских фамилий, образованных от тюркских прозвищ. Подобно тому, как фамилия Тургенев восходит к прозвищу Турген («быстрый, скорый»), Аксаков — к Аксак («хромой»), а Булгаков — к Булгак («беспокойный»), Карабалкин ведёт начало от тюркского словосочетания «кара балка». В переводе с тюркских языков «кара» означает «чёрный», а «балка» — «рыба». Таким образом, исходное прозвище Карабалка могло означать «чёрная рыба» — так на Руси могли прозвать человека либо за смуглую внешность, либо за пристрастие к рыбному промыслу на тёмной воде.

Суффикс -ин в фамилии Карабалкин указывает на притяжательную модель: «чей?» — «сын Карабалки». В северных и центральных русских говорах фамилии на -ин были особенно распространены и часто вытесняли более южные формы на -ов. Само прозвище Карабалка могло закрепиться за человеком, промышлявшим ловлей чёрной рыбы (например, сома или линя), или за выходцем из мест, где водилась такая рыба. Встречается и версия, что «кара балка» могло быть именем-оберегом: тёмное, «чёрное» имя давали ребёнку, чтобы отвести от него злые силы.

Географически фамилия Карабалкин тяготеет к регионам, где издавна соседствовали русское и тюркское население — Поволжье, Приуралье, южные степи. В документах XVIII–XIX веков носители фамилии встречаются среди однодворцев и государственных крестьян, что говорит о недворянском происхождении. Редкий суффикс -алкин (вместо более частого -ов или -ев) делает фамилию морфологически примечательной: он характерен для прозвищ, которые в быту сокращали или переделывали на тюркский лад, а затем русифицировали.

Сравнение с однокоренными фамилиями — Карабанов, Карабаев, Карабалин — показывает, что основа «кара» в них общая, а вторая часть различается. В случае Карабалкин вторая часть восходит именно к названию рыбы, а не к тюркскому имени или географическому объекту. Эта конкретная привязка к промыслу или оберегу выделяет фамилию среди других «чёрных» фамилий.