Фамилия Кастюшина образована от прозвища или нецерковного имени Кастюша. Это краткая, уменьшительно-ласкательная форма от одного из крестильных имён на «К»: чаще всего от Константин (в народной форме Костантин или Костянтин), реже — от Кассиан (в бытовом варианте Касьян). Суффикс -юш- (как в «дедушка», «батюшка») в русском языке придаёт слову оттенок ласки или принадлежности к младшему или зависимому лицу, поэтому Кастюшей могли звать ребёнка, младшего работника или просто человека с мягким характером.

Модель образования фамилии — типично русская, с притяжательным суффиксом -ин. Она означает «дочь (или жена) Кастюши», то есть указывает на родство по мужской линии: главу семьи звали Кастюша. Окончание -а выдаёт женскую форму фамилии, которая закрепилась за женщинами, а мужской вариант — Кастюшин.

Отличительная черта этой фамилии — сохранение начального «Ка-» вместо привычного «Ко-» (ср. Костюшин). Это может быть следствием акающего произношения, характерного для южнорусских и среднерусских говоров: там «Кастюша» звучало так же естественно, как «карова» вместо «корова». В письменных источниках XVII–XVIII веков нередко встречаются крестьяне и посадские люди с именем Кастюша, что подтверждает бытовую, а не книжную природу этого имени.

Географически фамилия Кастюшина встречается в основном в центральных и южных областях России, особенно в бывших Рязанской, Тамбовской и Воронежской губерниях — регионах, где аканье было нормой, а имя Костянтин (с ударением на второй слог) давало устойчивую форму «Кастюша». Сословно носители фамилии, скорее всего, были крестьянами или мещанами: фамилии на -ин с уменьшительными суффиксами редко встречались у дворян, которые предпочитали формы на -ов/-ев от полных имён.

В отличие от более распространённой фамилии Костюшин, вариант Кастюшина сохранил черту живой народной речи и не был «исправлен» при переписях под церковнославянское произношение. Это делает её ценным свидетельством того, как на самом деле звучали имена в русской деревне.