Фамилия Каталхерман — редкая и композитная, её происхождение почти наверняка не русское, а прибалтийско-немецкое или, шире, западно-европейское. Она состоит из двух основ, соединённых в одно слово без суффикса, что характерно для немецких фамилий-композитов. Первая часть, «Катал», может восходить к личному имени или географическому названию, вторая — «херман» — к немецкому имени Hermann (Херманн, то есть «воин» или «человек войска»). Таким образом, фамилия могла означать «Катал, сын Хермана» или «Катал из рода Херманов», где «Катал» — это, скорее всего, вариант имени Катала или Катало (ср. венгерское Каталин, но в немецком контексте — редкое). Возможна и обратная связь: «Херман из Катала» — по названию местности.

Словообразовательная модель здесь — бессуффиксное сложение основ, типичное для немецких фамилий (ср. Гельмгольц, Шварцкопф). В русской среде такие фамилии не образовывались, поэтому носители Каталхерман — это потомки переселенцев из немецких земель, вероятно, из Прибалтики (остзейские немцы) или из Поволжья. Географически фамилия могла закрепиться в тех регионах Российской империи, где были немецкие колонии: Саратовская, Самарская губернии, а также в Прибалтике.

По сословной принадлежности предки могли быть бюргерами, ремесленниками или пасторами, но не крестьянами — сложная фамилия обычно указывает на городское происхождение. Второй компонент «-херман» встречается и в других немецких фамилиях (например, Циммерман, Штернман), но именно сочетание «Катал» делает этот вариант уникальным. В русском языке фамилия не склоняется по падежам в мужском роде, а в женском — тоже остаётся неизменной, что подчёркивает её иноязычное происхождение.

Никакой славянской этимологии у фамилии нет — попытки вывести «Катал» от глагола «катать» или «херман» от «хер» (устаревшее название буквы) ошибочны и не подтверждаются ономастикой. Скорее всего, фамилия возникла в XVI–XVIII веках в немецкоязычной среде и была принесена в Россию в ходе миграций.