Фамилия Катернов образована от прозвища или мирского имени Катерн. Основа здесь — редкое слово «катерна», которое в южнорусских и украинских говорах означало «каторга», «каторжная работа», а в более широком смысле — «тяжёлая доля», «мука». Человек, получивший такое прозвище, мог быть невольником, ссыльным или просто человеком, которого жизнь не баловала. Впрочем, в некоторых диалектах «катерна» имела и другое значение — «свора», «ватага», что могло указывать на общительного или властного человека, предводителя группы.

Модель образования типична для русских фамилий: суффикс -ов присоединился к основе Катерн, указав на принадлежность («чей?» — сын Катерна). Поскольку фамилия закрепилась в форме Катернов, а не Катернин, это говорит о том, что основа мужского рода и не оканчивалась на -а/-я. Встречаются и параллельные варианты — Катерный, Катернюк, но Катернов — самая распространённая форма, характерная для центральных и южных областей России.

Интересно, что фамилия почти не встречается в дворянских родословных книгах — её носителями были преимущественно крестьяне и мещане. Это косвенно подтверждает версию о происхождении от «каторги»: предки Катерновых могли быть либо потомками ссыльных поселенцев, либо людьми, чей тяжёлый труд ассоциировался с каторжным. В XIX веке фамилия фиксируется в Воронежской, Курской и Тамбовской губерниях — регионах, куда ссылали крестьян и где были сильны украинские говоры.

Не стоит путать Катернова с фамилией Катаранов или Катаржнов — они восходят к другим корням (греческому или польскому). Катернов — фамилия сугубо русская по форме, но с диалектной основой, которая сегодня уже почти вышла из живого употребления.