Фамилия Катова чаще всего звучит как женская форма, но в русской традиции она образована от мужской фамилии Катов. Поэтому разговор о происхождении ведут именно о мужском варианте, а женский воспринимают как грамматическое производное (дочь или жена Катова).

Основа фамилии — прозвище Кат. Самый прямой и очевидный корень — глагол «катать». В старину «катом» могли назвать человека, чья работа была связана с качением, перекатыванием тяжёлых предметов: бочки, брёвна, камни. В некоторых говорах «кат» означал палача (от польско-литовского kat), но для русских фамилий эта версия менее вероятна — прозвище палача было бы слишком мрачным и редким для массового бытования. Куда правдоподобнее, что Кат — это сокращение от крестильного имени Катерина (в просторечии Катя) или Капитон. В таком случае фамилия Катов означает «сын Кати» или «сын Капитона», где Кат — домашняя форма имени.

Словообразовательная модель простая: суффикс -ов указывает на принадлежность («чей?» — Катов). Это типичная патронимическая фамилия, каких большинство в центральной России. Географически фамилия Катовы встречается в разных регионах, но заметный след оставила на Урале и в Сибири, куда переселенцы принесли её из северных и центральных губерний.

Стоит упомянуть и редкую версию: в южных говорах «кат» иногда называли низкорослого, плотного человека (от тюркского «кат» — слой, ряд). Но эта гипотеза слабая, так как фамилия не характерна для тюркоязычных регионов. Более обоснованно считать, что предки носителей фамилии Катова были либо мастеровыми, занятыми в перевозке и перемещении грузов, либо просто людьми, носившими уменьшительное имя Кат.