Фамилия Катайлова — женская форма от Катайлов, а та, в свою очередь, образована от прозвища или нецерковного имени Катайло. В основе лежит глагол «катать». В русских говорах «катайло» могло означать и человека, который занимается валянием валенок (катает шерсть), и того, кто катает бочки или телеги, и просто непоседу, который «катается» по свету. Прозвище давали по ремеслу или по характеру.

Суффикс -ов в мужской форме указывает на принадлежность: Катайлов — сын или потомок Катайла. Такая модель — одна из самых распространённых в русских фамилиях. В отличие от фамилий на -ин (от основ на -а/-я), здесь сработало окончание на твёрдый согласный: Катайл → Катайлов.

Географически фамилия тяготеет к южнорусским и поволжским областям. В дореволюционных переписях Катайловы встречаются в Тамбовской, Рязанской и Саратовской губерниях. В этих краях было развито валяльное производство, что косвенно подтверждает профессиональную версию происхождения.

Интересная деталь: в старых документах можно встретить двоякое написание — Катайлов и Каталов. Второй вариант мог возникнуть из-за «беглого» звука [й] в произношении, но он редок. Ударение в фамилии, судя по говорам, падает на второй слог: Ката́йлов.

Родственных фамилий немного: Катайцев (от «катаец» — тот, кто катает), Катаев (от имени Катай). Катайлова стоит особняком благодаря редкому суффиксу -л-, который в прозвищах часто придавал оттенок действия или орудия: «катайло» — и человек, и инструмент для катания.