Фамилия Касаточкин образована от прозвища или нецерковного имени Касаточка. В русских говорах «касатка» — это ласточка (от характерного звука «каса-каса»), а также ласковое обращение к женщине или ребёнку. Но в основе фамилии почти наверняка лежит не птица, а уменьшительная форма имени Касат — одного из вариантов крестильного имени Косма (в просторечии Козьма). В старину имя Касат фиксируется в документах: так, в XVI веке упоминается крестьянин Касатка из новгородских земель. Модель образования проста: к основе Касаточк- (Касатка с суффиксом субъективной оценки -очк-) добавили типичный русский суффикс принадлежности -ин, указывающий на родство: «чей?» — Касаточкин, то есть сын или потомок Касаточки.

Суффикс -очк- в этой фамилии не случаен. В отличие от более частого -к- (Касаткин), форма с -очк- подчёркивает не столько уменьшительность, сколько ласкательность или даже семейное прозвище. Фамилии на -очкин встречаются реже, чем на -кин, и часто указывают на прозвище, которое закрепилось в узком кругу родных. Сравните: Касаткин — от прямого прозвища «касатка» (ласточка или ласковое обращение), а Касаточкин — уже вторичная форма, возможно, от внутрисемейного имени ребёнка или внука.

Географически фамилия тяготеет к центральным и северным областям России. В переписях XVII–XVIII веков Касаточкины встречаются в Вологодском и Архангельском уездах, где имя Косма было особенно популярно. Позже носители расселились по Уралу и Сибири, но массовой фамилия не стала — она остаётся довольно редкой.

Есть и другая версия, связывающая корень с глаголом «касаться» (от слова «касатка» — «та, что касается, прикасается»). Но она слабая: прозвище от глагола в такой форме нехарактерно для русской антропонимии, а птичье или имяобразное происхождение подтверждается документами. Так что предки Касаточкиных — скорее всего, крестьяне или посадские люди, носившие имя Касат (Косма) в его уменьшительном, домашнем варианте.