Фамилия Каштайкина образована от мужского прозвища или имени Каштайка. В её основе лежит суффикс -ин, который в русской ономастике указывает на принадлежность: Каштайкина — дочь или жена человека по имени Каштайка. Модель типична для центральных и северных губерний России, где фамилии на -ин так же распространены, как на -ов на юге.

Само прозвище Каштайка — сложный случай. Скорее всего, оно связано с диалектным словом «каштак» — так в ряде областей (пермских, вятских) называли колючий кустарник, шиповник или репейник. Человека могли прозвать Каштаем за цепкий характер, колючесть или, наоборот, за сходство с растением — например, за рыжеватые волосы (цвет плодов шиповника). Менее вероятна, но возможна связь с тюркским «каштак» — «крепкий, выносливый», что указывало бы на физические качества носителя прозвища.

Суффикс -к- в основе (Каштай-к-а) — уменьшительно-ласкательный или уничижительный. В XV–XVII веках такие формы часто давали молодым людям или людям низкого социального статуса: не просто Каштай, а Каштайка, младший или незнатный. Фамилия закрепилась в патронимической форме, то есть по отцу: сын Каштайки стал Каштайкиным, а дочь или вдова — Каштайкиной.

Поскольку фамилия редкая и недворянская, её носители, скорее всего, происходили из крестьян или посадских людей. В современных базах данных фамилия встречается в основном в Пермском крае и Кировской области, что подтверждает диалектную версию происхождения от «каштак». Другие версии — например, от имени Каштан или от слова «каштан» — маловероятны: каштан в средней полосе России не рос, и форма «Каштайка» из «Каштан» не выводится фонетически.