Фамилия Катали — редкий случай, когда её форма сразу подсказывает, что перед нами не славянское, а тюркское или кавказское образование. В русском языке фамилии на -ий, -ый, -ой — это обычно прилагательные (Толстой, Дурново), но Катали не вписывается в эту модель. Скорее всего, это фамилия, застывшая в форме тюркского прилагательного или прозвища.

Основа «ката» в тюркских языках многозначна. В татарском, башкирском и казахском «ката» означает «ошибка», «промах», «оплошность». Прозвище Ката мог получить человек, который часто ошибался, совершал необдуманные поступки, или, наоборот, ироничное прозвище для того, кто всё делал «без сучка без задоринки». Вторая версия отсылает к слову «кат» — «слой», «ряд». В этом случае Катали — «слоистый», «многослойный», что могло относиться к человеку плотного телосложения или к местности (например, выходец из многослойного по рельефу района). В осетинском языке «ката» — «кусок», «часть», но фамилия Катали там не фиксируется как массовая.

Суффикс -ли в тюркских языках — аффикс принадлежности или обладания (ср. татарские фамилии Ахметов, но есть и формы на -ли, -лы). Катали буквально означает «имеющий отношение к ката», «тот, кто с ошибкой» или «слоистый». Такая модель типична для азербайджанских, турецких, кумыкских фамилий, где фамилия часто совпадает с прилагательным без дополнительного русского суффикса.

Географически фамилия встречается в Татарстане, Башкортостане, в среде азербайджанцев, а также у крымских татар. В дореволюционных списках она могла записываться как Каталы, Каталиев, Каталин — в зависимости от того, как чиновник адаптировал её к русским нормам. Встречается и вариант Каталий, который ближе к русскому окончанию.

Социальный состав носителей фамилии пёстрый. В тюркской среде фамилию могли получить и крестьяне, и ремесленники, и духовные лица — прозвище не указывало на сословие. В русских губерниях Катали почти не встречается, что подтверждает её иноязычное происхождение.

Единственная деталь, которая выделяет эту фамилию среди множества тюркских: она почти не имеет омонимов в других языках, а её основа «ката» в значении «ошибка» породила в татарском языке устойчивое выражение «ката китү» — «ошибиться», «сделать неверный шаг». Возможно, предок носителя фамилии был тем, кто «сбивался с пути» — в прямом или переносном смысле.