Фамилия Катраевская — редкая и яркая по звучанию, её форма сразу выдаёт дворянскую или шляхетскую модель образования. Суффикс -ск- указывает на то, что фамилия произошла от названия места — скорее всего, от топонима Катраево или Катраев. Такие фамилии в XIX веке часто закреплялись за выходцами из сёл или поместий с похожим именем: если человек владел землёй или жил в усадьбе Катраево, его потомки получали прозвание Катраевский, а в женском роде — Катраевская.

Корень катрай- — тёмный и неочевидный для русского уха. Скорее всего, он не славянского происхождения. Можно предположить тюркскую основу: слово «катра» или «катрай» в ряде тюркских языков означает «слой», «ряд» или «складка», но также встречается как личное имя. В восточноевропейской ономастике известны фамилии Катраев, Катранов, и все они тяготеют к южным и юго-восточным регионам бывшей Российской империи — к землям, где смешивались славянские, тюркские и кавказские элементы. Не исключено, что Катраевская — это русифицированная форма польской или украинской фамилии, которая, в свою очередь, восходит к прозвищу или имени родоначальника.

Ещё одна версия, менее вероятная, но допустимая: связь с названием растения «катран» (вид капусты, растёт в Крыму и на Кавказе). Если бы фамилия звучала как Катрановская, эта гипотеза была бы сильнее, но фонетическое сходство всё же заставляет упомянуть её. Однако более правдоподобным выглядит именно географический сценарий: в польских и белорусских метриках встречаются шляхетские фамилии на -ский, образованные от микротопонимов, которые сегодня уже не найти на карте.

Поскольку фамилия оканчивается на -ая, а не на -ий, перед нами, скорее всего, женская форма. В старых документах жену или дочь Катраевского могли записать как Катраевская. Сама фамилия никогда не была массовой: её носители — это, вероятно, потомки одного рода, рассеянного по нескольким губерниям. В современной России фамилия встречается единично, преимущественно в центральных и южных областях, что подтверждает её локальное происхождение.