Фамилия Катамахины — редкая и структурно необычная для русского бытового ономастикона. Её основа не похожа на типичные крестильные имена или названия ремёсел, что сразу заставляет искать нестандартное происхождение.

Словообразовательная модель проста: суффикс -ин указывает на принадлежность («чей?»), то есть Катамахины — потомки человека по прозвищу или имени Катамаха. Вопрос упирается в то, что такое «Катамаха». Самая вероятная версия — топонимическая. На юге России, особенно в казачьих областях, встречается прозвище Катамаха или Катомаха, образованное от диалектного «кат» (палач, заплечных дел мастер) и греческого «маха» (битва, сражение). Однако более правдоподобно связывать фамилию с тюркским или кавказским субстратом: в тюркских языках «кат» означает «слой, ряд», а «мах» — «сила, мощь». В таком случае прозвище могло означать «крепкий, мощный, как скала» или указывать на человека, который «слоями» (то есть постепенно, упорно) добивается цели.

Есть и вторая, менее популярная версия, которую приводят краеведы из Ростовской области. В донских говорах «катамахой» называли бродягу или человека, который «катается» (странствует) без определённого занятия. Тогда фамилия — отголосок прозвища, данного вольному или неоседлому казаку. Эта гипотеза слабее, так как суффикс -ин в таком случае образовывался бы от формы «Катамаха» как личного прозвища, а не от нарицательного слова напрямую.

География фамилии узкая. Основной массив Катамахиных фиксируется в исторических документах по Воронежской губернии и Области Войска Донского. Это косвенно подтверждает версию о южнорусском, возможно, казачьем происхождении. Сословно предки, скорее всего, были однодворцами или казаками — людьми служилыми, но не крепостными, что объясняет сохранение необычного прозвища в качестве фамильной основы.

Сравнение с однокоренными фамилиями ничего не даёт: Катомахины, Катамаховы и Катамахины — это, вероятно, варианты написания одной и той же фамилии, разошедшиеся из-за разного произношения в местных говорах. Без привлечения архивных метрических книг сказать, какой вариант первичен, невозможно.