Фамилия Катамахин — редкая и, на первый взгляд, загадочная. Её основа — слово «катамаха» — не встречается в современных словарях, но хорошо известна в русских говорах. В архангельских и вологодских диалектах катамахой называли грубую, неотёсанную вещь, а также человека — неуклюжего, медлительного или нерасторопного. Прозвище Катамаха могли дать либо за физическую неповоротливость, либо за небрежность в делах.

Модель образования проста и прозрачна: суффикс -ин указывает на принадлежность. Катамахин — буквально «сын Катамахи» или «человек из рода Катамахи». Такие фамилии типичны для северных и центральных областей России, где прозвищные фамилии на -ин широко распространены. В отличие от фамилий на -ов, которые чаще образовывались от имён или профессий, -ин часто прикреплялся к прозвищам, оканчивающимся на -а или -я.

Географически фамилия тяготеет к Русскому Северу. В переписных книгах XVII–XVIII веков и в метрических записях Катамахины изредка встречаются в Вологодской и Архангельской губерниях. За пределами этого ареала фамилия практически не фиксируется, что подтверждает её диалектное происхождение.

Версия о связи с тюркскими корнями (например, от кат — «слой» или маха — «махать») маловероятна. Во-первых, суффикс -ин нехарактерен для тюркских фамилий в русской передаче. Во-вторых, ареал бытования фамилии — исконно русские северные территории, где тюркское влияние минимально. Так что наиболее правдоподобное объяснение — местное прозвище, закрепившееся в роду.

Структурно фамилия не имеет двойных суффиксов или наращений, что говорит о её относительно позднем оформлении — скорее всего, в XVIII — начале XIX века, когда прозвища стали массово переходить в наследственные фамилии. Носители фамилии в большинстве своём были крестьянами или посадскими людьми: дворянских родов Катамахиных в родословных книгах не значится.