Фамилия Катерюшина звучит редко, и в её основе лежит не очевидный корень. Скорее всего, это женская форма от Катерюшин, а та, в свою очередь, образована от прозвища или имени Катерюша. Это уменьшительно-ласкательный вариант от крестильного женского имени Екатерина. В диалектах и просторечии имя Екатерина сокращали до Катерина, а затем — до Катерюша. Суффикс -юш- характерен для народных, бытовых форм имён (сравните: Матрёна — Матрюша, Прасковья — Параша, но здесь — Парашюша). Таким образом, Катерюша — это «маленькая Катя» или «Катя, которую ласково зовут».

Модель образования фамилии указывает на то, что родоначальником был мужчина, которого в быту звали Катерюша. В русской традиции так могли назвать не только сына Екатерины, но и самого мужчину, если он нёс женское прозвище (например, за мягкий нрав или за то, что его воспитывала мать-Екатерина). Суффикс -ин в фамилии указывает на принадлежность: «чей сын?» — Катерюшин, то есть сын Катерюши. Это одна из самых распространённых моделей в северных и центральных областях России.

Географически фамилия Катерюшина тяготеет к регионам, где имя Екатерина было особенно популярно и где сохранились архаичные формы его произношения. Встречается она в основном в Поволжье и на Урале, реже — в центральных областях. Есть версия, что в некоторых говорах «катерюша» могло быть не личным именем, а прозвищем для человека, который занимался изготовлением или продажей катеринок (так в ряде мест называли особые пряники или баранки, а иногда и мелкие монеты). Однако эта гипотеза менее вероятна: прозвище по профессии обычно оформлялось суффиксом -ник (Катерюшник → Катерюшников), а не уменьшительным -юш-.

Примечательно, что фамилия сохранила редкий суффикс -юш- в полной форме. Многие похожие фамилии (Катюшин, Катюшкин) со временем утратили этот элемент, а Катерюшина его закрепила. Это говорит о том, что фамилия возникла не в дворянской или купеческой среде, где тяготели к книжным формам, а в крестьянской или мещанской — там дольше держались живые, диалектные варианты имён.