Фамилия Кастальская — редкий случай, когда женская форма фамилии закрепилась в качестве основной. Скорее всего, перед нами потомок по женской линии, либо фамилия прошла через церковную или семинарскую среду, где искусственные фамилии давали в женском роде, если родоначальником была женщина (например, вдова или дочь священника). Но главный ключ — основа «Касталь-», которая отсылает к Кастальскому ключу.

Кастальский ключ — знаменитый источник на горе Парнас в Греции, по мифам, дарующий вдохновение поэтам. В русской традиции XVIII–XIX веков семинаристы, получавшие фамилию при поступлении в духовное училище, нередко брали «красивые» имена, связанные с античностью или библейскими реалиями. Так появлялись фамилии Аполлонов, Парнасский, и — Кастальский. Форма Кастальская могла образоваться от неё двумя путями: либо как вариант для замужней женщины (жена Кастальского), либо как самостоятельная фамилия, данная дочери или вдове священнослужителя. Географически такие фамилии чаще встречаются в центральных губерниях России, где были духовные семинарии, — например, в Рязанской, Владимирской, Ярославской.

Менее вероятная, но не исключённая версия — связь с топонимом. В России есть несколько урочищ и речек с названием Кастальская (например, балка в Крыму или ручей в Подмосковье). В этом случае фамилия могла возникнуть у крестьянина или мещанина, переселившегося от такого места. Но в крестьянской среде фамилии на -ская в XIX веке были редкостью: обычно их носили дворяне или духовенство. Поэтому церковное происхождение — основное.

Словообразовательная модель проста: суффикс -ск- указывает на принадлежность к чему-то (Кастальский — «относящийся к Кастальскому ключу»), а окончание -ая — женский род. Ударение, скорее всего, на втором слоге: Каста́льская, хотя в быту могут говорить и Кастальска́я.

Известных носителей фамилии в истории немного, но одна фигура примечательна: Вера Кастальская (в замужестве — Булич) — русская поэтесса Серебряного века, что иронично перекликается с мифологическим значением фамилии. В остальном фамилия остаётся редкой, и её обладатели, вероятно, происходят из духовного сословия Центральной России.