Фамилия Караталыш — редкий случай, когда географическое название стало родовым именем и при этом сохранило исходную форму почти без изменений. В основе лежит топоним Караталыш — название села в Илишевском районе Башкортостана. Само слово тюркского происхождения: «кара» значит «чёрный», «талыш» — это этноним, название народа (талыши живут на юго-востоке Азербайджана и в Иране). Дословно — «чёрный талыш» или «талыш из чёрного [рода]», что указывает на родовую или племенную принадлежность.

В русской среде такие фамилии образовывали редко: обычно выходцы из деревни получали прозвище по названию родного места, а уже от него делали фамилию с суффиксом -ов или -ин (Караталышев). Здесь же суффикс отсутствует — фамилия совпадает с самим названием села. Это характерно для поздних, часто канцелярских фиксаций, когда переписчики записывали человека просто по месту жительства, без добавления патронимического суффикса. Вероятно, первый носитель фамилии был переселенцем или крестьянином, которого в документах отметили как «Караталыш» — то есть «из Караталыша».

Фамилия почти не встречается за пределами Башкортостана и соседних регионов. Около 80% носителей живут в Республике Башкортостан, остальные — в Татарстане и Челябинской области. Это типичная локальная фамилия, не успевшая широко разойтись из-за позднего закрепления и малого числа исходных носителей.

Спорных версий немного. Иногда корень «талыш» путают с татарским «талыш» (спешка, суета) или пытаются вывести из тюркского «караталыш» — «черный кустарник». Но первая версия (от села и этнонима) подтверждается географией и документами: село Караталыш существует с XVII века, и его название старше фамилии.