Фамилия Касатухина образована от прозвища или нецерковного имени Касатуха. В её основе лежит глагол «касаться», но не в современном, а в более широком диалектном значении. В русских говорах «касатый» означало «касающийся», «задевающий», а также «приветливый», «ласковый» — тот, кто ищет контакта, «касается» других в общении. Прозвище Касатуха могли дать человеку общительному, мягкому по характеру, который легко сходился с людьми.

Необычность фамилии — в суффиксе -ух-. Это редкий и яркий словообразовательный элемент, характерный для северных и северо-восточных русских говоров (Архангельская, Вологодская, Вятская губернии). Суффикс -ух- придавал прозвищу фамильярно-бытовой, часто снисходительный оттенок: ср. «толстуха», «хитруха», «болтуха». Касатуха — не просто «тот, кто касается», а «тот, кто постоянно лезет, прикасается», то есть прозвище могло быть и шутливым, чуть насмешливым.

По модели образования фамилия типична для русского Севера: основа на -а, -я плюс патронимический суффикс -ин (Касатухин → Касатухина). В женской форме фамилия закрепилась как указание на принадлежность к роду Касатухиных. В старину так могли записать вдову или дочь, но к XIX веку фамилия стала наследственной для всех членов семьи.

Альтернативная версия связывает корень с диалектным «касатка» — ласточка (от «касатая» — с раздвоенным, как бы «касающимся» хвостом). Но слово «касатуха» в значении «ласточка» в источниках не зафиксировано, а прозвище от птицы обычно звучало бы как Касаткин. Поэтому версия с характером или манерой поведения выглядит убедительнее.

Географически фамилия Касатухина встречается в основном в центральных и северных областях России, с заметным пятном в бывшей Вятской губернии (современная Кировская область). Встречается она нечасто, что подтверждает её местное, говоровое происхождение: в условиях малой мобильности крестьян такие прозвища закреплялись в одном-двух уездах.