Фамилия Катарина стоит особняком в русском ономастиконе. В отличие от подавляющего большинства русских фамилий, образованных от канонических православных имён (Иван, Пётр, Василий), её основа восходит к женскому имени Катарина — западноевропейскому варианту имени Екатерина. Это сразу указывает на нерусское, скорее всего, польское, немецкое или прибалтийское происхождение.

Словообразовательная модель здесь нестандартна для восточных славян. В русской традиции фамилии от женских имён встречаются редко и обычно оформляются суффиксом -ин (Катеринин, Марьин). Фамилия Катарина представляет собой чистую основу без патронимического суффикса — это так называемая «матронимическая» фамилия в нетрансформированном виде. Такая модель характерна для западных регионов Речи Посполитой, где женские имена могли напрямую становиться фамилиями, а также для немецких и скандинавских земель, где Катарина — распространённое личное имя, закрепившееся как наследственное прозвание.

Вероятнее всего, фамилия закрепилась за человеком как прозвище по матери или жене. Если глава семьи был известен в округе по имени своей супруги Катарины (например, «муж Катарины»), то прозвище могло перейти к детям и стать фамилией. Вторая версия — фамилия возникла в среде немецких колонистов или балтийских немцев, переселившихся в Российскую империю в XVIII–XIX веках. В этом случае она не прозвище, а наследие прямого немецкого имени, которое в документах записали без изменений.

Встречается фамилия неравномерно. В России она редка, но заметна в Калининградской области — бывшей Восточной Пруссии, где немецкое имя Катарина было обычным. Также носители живут в Латвии и Эстонии. В польском языке существует фамилия Katarzyna, но форма Катарина (Katarzyna) — скорее германизированный или латинизированный вариант.

В словарях русских фамилий (например, у Б. Унбегауна) эта фамилия не описывается как типично русская. Это скорее маркер миграции: предок мог быть выходцем из немецких земель, польским шляхтичем или жителем Курляндии. Написание с одним «р» (Катарина, а не Катаррина) указывает на прямое заимствование без адаптации к русской орфографии.