Фамилия Каталымова — женская форма фамилии Каталымов, и её основа — прозвище или нецерковное имя Каталым. Слово «каталым» в русских говорах имеет несколько значений, но наиболее вероятное связано с глаголом «катать». В диалектах так могли называть человека, который катает войлок, валенки или занимается валкой шерсти — ремеслом, распространённым в северных и центральных губерниях России. Менее распространённая версия — от тюркского корня «ката» (твердый, крепкий) с русским суффиксом, но для славянской фамилии первая гипотеза правдоподобнее: прозвища по роду занятий давали часто, и суффикс -ым типичен для русских фамилий, образованных от прилагательных или прозвищ на -ый.

Словообразовательная модель Каталымов — редкая. Фамилия построена по патронимическому типу с суффиксом -ов, но основа «Каталым» сама по себе нестандартна. В русской ономастике фамилии на -ым встречаются, но реже, чем на -ов или -ин; они могли фиксировать прозвище в краткой форме прилагательного (каталый — тот, кого катают или кто катает). В данном случае прозвище Каталый могло перейти в Каталым через диалектное окончание или под влиянием местного произношения. Сравните с фамилиями Каталов, Катаев — они образованы от того же корня, но по другой модели.

Географически фамилия Каталымов встречается в основном на Урале и в Сибири, что подтверждает связь с ремеслом: валяльное дело было развито в регионах с холодным климатом. В документах XIX века носители фамилии упоминаются среди крестьян и мещан Пермской и Тобольской губерний. Социальный контекст прост: предки Каталымовых, скорее всего, были мастерами-ремесленниками, а не дворянами — фамилия не вошла в списки столбового дворянства.

В написании фамилии возможна вариативность: в старых записях встречается Каталымов и Каталымова, реже — с одной «л» (Катаимов), но это ошибки переписчиков. Ударение, судя по говорам, падает на второй слог: Каталы́мов.