Фамилия Карлыгина — это женская форма, а её мужской вариант — Карлыгин. В основе фамилии лежит прозвище Карлыга, и, чтобы понять его смысл, стоит заглянуть в диалекты, а не в словарь литературного языка. Слово «карлыга» в русских говорах, особенно в южных и поволжских, обозначало невысокого, коренастого человека, крепыша. Иногда так называли и заскорузлый, засохший кусок грязи или навоза на одежде — то есть прозвище могло относиться к неряшливому человеку. Оба значения выводятся из общего корня «карл-», связанного с чем-то коротким, сжатым.

Модель образования типична для русских фамилий: суффикс -ин указывает на принадлежность. Карлыгин — сын Карлыги, то есть потомок человека с таким прозвищем. Мужская форма встречается реже, чем женская, но в документах XIX века Карлыгины фиксируются в основном среди крестьян и мещан Центральной России и Поволжья. В частности, в переписных книгах Симбирской и Казанской губерний встречаются записи о крестьянах с этой фамилией, что подтверждает её бытование в среде земледельцев.

Суффикс -ин, а не -ов, говорит о том, что основа фамилии — слово мужского рода на -а. Это характерно для прозвищ, которые оканчивались на -га, -ка: Карлыга, Коряга, Балага. Такие прозвища часто давали по внешнему признаку или поведению, и фамилия закрепляла эту характеристику за родом. Никакой связи с тюркским «карлы» (снежный) здесь нет, несмотря на внешнее созвучие, — русская диалектная основа очевиднее.

В XX веке фамилия не стала массовой, но сохранилась в центральных областях России и в среде потомков переселенцев в Сибирь. Карлыгины не были дворянами или купцами — это фамилия простого сословия, где прозвище закрепилось за семьёй в момент становления родовых имён в XVIII–XIX веках.