Фамилия Кацеленбоген — это искажённая форма более известной фамилии Каценельнбоген, которую давали по названию местности в прусской провинции Гессе-Нассау. Само название Каценельнбоген, скорее всего, восходит к имени кельтского племени каттимелибоки, но местные жители традиционно (хоть и ошибочно) связывали его с немецким «кошачий локоть». Фамилия пришла в русскоязычную среду через еврейские общины, где такие составные немецкие фамилии были обычным делом: Вейценбаум («пшеничное дерево»), Зауэрштром («кислый поток»), Левенфиш («рыба-лев»), Цигенбаум («козье дерево»), Квечман («высказываться неохотно»).

В основе фамилии лежит не прозвище по ремеслу или внешности, а топоним — название места, откуда предок мог быть родом. Это типичная модель для ашкеназских фамилий, которые в XVIII–XIX веках часто закреплялись за целыми семьями по указу австрийских и прусских властей. Искажение «Каценельнбоген» в «Кацеленбоген» произошло уже на русской почве из-за упрощения произношения: тройное сочетание «нельн» редуцировалось до «ле». Такой процесс — не редкость при адаптации длинных немецких фамилий в восточнославянской среде.

Словообразовательная модель здесь проста: фамилия не получила типичных русских суффиксов (-ов, -ин, -ский), а осталась в форме чистой основы, что характерно для поздних заимствованных фамилий еврейского происхождения. Носители фамилии Кацеленбоген встречаются в основном среди потомков выходцев из Центральной Европы, и в отличие от многих других фамилий, она почти не имеет вариантов — только это написание и исходное Каценельнбоген.