Фамилия Картолинский — редкий пример фамилии, образованной не от личного имени или профессии, а от географического названия с неочевидной этимологией. Её основа — «Картолин-» — не встречается в списках распространённых русских прозвищ или имён, что сразу указывает на топонимическое происхождение. Типичный суффикс -ский (в женском роде -ская) в русской традиции закрепился за дворянскими и шляхетскими фамилиями, особенно у тех, кто получил фамилию по названию родового поместья или места, откуда происходил род.

Корень «Картол-» скорее всего восходит к названию населённого пункта. На карте Восточной Европы есть несколько мест, которые могли дать фамилию: например, село Картолино (или урочище с похожим именем) в исторических регионах Беларуси или Польши. Есть вероятность, что в основе лежит польское или белорусское слово «kartol» — так в некоторых диалектах называли картофель (от немецкого Kartoffel). В таком случае прозвище Картоля могли дать крестьянину, торговавшему картофелем или имевшему к нему отношение, а уже от прозвища через суффикс -ин- образовалось название поселения, а от него — фамилия. Однако эта версия менее вероятна: топонимы с корнем «картол-» встречаются реже, чем прозвищные фамилии на -ский, но именно они обычно служат источником для таких окончаний.

По модели образования фамилия Картолинский близка к таким, как Могилёвский (от Могилёв) или Брестский (от Брест). Суффикс -ин- в середине слова (Картол-ин-ский) — характерная черта польской и западнорусской ономастики: он указывает на принадлежность к роду владельца места. То есть буквально фамилия означала «тот, кто из имения Картолино» или «принадлежащий к роду Картолей». Носители такой фамилии в Российской империи чаще всего относились к мелкопоместной шляхте или духовенству — сословиям, где фамилии на -ский были нормой.

Встречаемость фамилии крайне низкая. По открытым данным, большинство Картолинских проживает в западных областях России и в Беларуси, что подтверждает её западнославянские корни. В дореволюционных метрических книгах фамилия изредка фиксируется в Могилёвской и Витебской губерниях. Вариант написания с двумя «н» (Картоллинский) — скорее всего, ошибка писаря или позднее искажение, не меняющее сути.