Фамилия Катрюхина — женская форма фамилии Катрюхин, которая образована по русской модели с суффиксом -ин. Этот суффикс указывает на принадлежность: «чей?» — Катрюхин, то есть сын или потомок человека по прозвищу Катрюха. В основе фамилии лежит имя или прозвище Катрюха — вариант имени Екатерина, распространённый в народной, бытовой речи.

Здесь мы сталкиваемся с редкой чертой: фамилия образована от женского имени, что нехарактерно для основной массы русских фамилий (обычно их производят от мужских имён или прозвищ). Имя Екатерина в просторечии давало множество производных форм: Катя, Катюша, Катря. Форма Катрюха — это южнорусский или украинский вариант, где звук [р] вставлен для удобства произношения (сравните: Катря → Катрюха). Встречается она в говорах Рязанской, Тамбовской, Воронежской областей, а также на территории современной Украины.

Прозвище Катрюха могли дать женщине, носившей имя Екатерина, но фамилию Катрюхин, скорее всего, получил мужчина — либо сын такой женщины (если она была одинокой матерью или её имя закрепилось за хозяйкой двора), либо мужчина, которого в быту звали Катрюха (например, по матери или по жене). Такая модель образования от женского имени встречается, но редко; она говорит о том, что в семье женщина играла заметную роль или что прозвище было дано по материнской линии.

Версия о происхождении от имени Екатерина — основная и наиболее правдоподобная. Альтернативные гипотезы (например, связь с диалектным словом «катруха» — вид рыбы или растение) не имеют серьёзной поддержки в ономастических словарях и основаны на случайном звуковом сходстве. Фамилия Катрюхина — редкая, её носительницы, скорее всего, происходят из южнорусских регионов или из украинского пограничья, где народные формы имени Екатерина были особенно разнообразны.