Фамилия Катау — редкий случай в русском ономастиконе. Она не вписывается в привычные модели на -ов, -ин или -ский, а её корень неочевиден. Скорее всего, перед нами фамилия, закреплённая в той форме, в какой её записали в документах, — без русифицирующих суффиксов. Это сразу указывает на нерусское происхождение основы, хотя носители фамилии, вероятно, давно обрусели.

Самая правдоподобная версия связывает Катау с тюркскими языками. В них корень «ката» или «кат» имеет значения «твёрдый», «крепкий», «сильный». В татарском, башкирском или казахском языках слово «катау» могло быть прозвищем — так называли упрямого, стойкого или физически крепкого человека. При оформлении русских метрических книг или ревизских сказок такое прозвище могли записать как есть, без добавления окончания, особенно если чиновник не стал переделывать его на русский лад.

Менее вероятна, но возможна версия, что фамилия — это искажённая запись немецкой фамилии Катау (Katau) или польской Катау (Katau). В таком случае её могли привезти переселенцы или специалисты, приглашённые в Россию в XVIII–XIX веках. Однако следов массового бытования такой фамилии в немецких колониях не прослеживается, поэтому эта гипотеза остаётся слабой.

Географически фамилия Катау встречается точечно — в основном на юге России и в Поволжье, где исторически сильны тюркские влияния. Это косвенно подтверждает первую версию: предки носителей могли быть выходцами из татарской или башкирской среды, получившими фамилию по прозвищу. Известных исторических фигур с этой фамилией нет, но её редкость и необычное звучание делают её яркой приметой рода, сохранившего память о прозвище предка.