Фамилия Катылев — редкая и неочевидная, её происхождение вызывает споры даже у специалистов. Главная трудность — корень «катыл». Он не встречается ни в древнерусских именах, ни в распространённых прозвищах, поэтому приходится рассматривать несколько версий.

Словообразовательная модель проста: суффикс -ев указывает на притяжательное значение («чей?» — Катылев), то есть фамилия образована от личного прозвища или имени Катыл. Самая вероятная версия связывает это прозвище с диалектным глаголом «катылить» — в некоторых южнорусских и украинских говорах так говорят о качении, перекатывании чего-либо, иногда — о неспешной ходьбе или волочении. Катылом могли прозвать медлительного, неуклюжего человека или того, кто занимался перевозкой тяжёлых грузов, например, катал бочки или камни. В этом случае фамилия относится к так называемым «профессиональным» прозвищам, но точное ремесло восстановить трудно.

Менее распространённая, но не лишённая оснований гипотеза — связь с тюркским словом «катыл» (катык, катылык), обозначающим кисломолочный продукт, вроде простокваши. В зонах русско-татарского пограничья (Поволжье, южные степи) такие прозвища давали либо торговцам молочными продуктами, либо людям с какими-то особенностями, связанными с едой. Однако эта версия слабее: в русских переписях и писцовых книгах фамилии на -ев от тюркских корней в основном фиксировались у служилых татар, а Катылевы встречаются преимущественно в центральных и западных регионах России.

В словарях Б. Унбегауна и В. Никонова фамилия не выделяется как отдельная статья, но её можно отнести к группе редких «качественных» прозвищ, у которых основа затемнена. География бытования узкая: по данным современных телефонных справочников и баз памяти, Катылевы чаще всего встречаются в Воронежской, Липецкой и Рязанской областях. Это косвенно подтверждает первую версию — именно в этих краях диалектное слово «катылить» было в ходу.

Сословная принадлежность носителей не прослеживается: Катылевы не значатся в родословных книгах дворянства, но и к крепостным относились по-разному. Скорее всего, предки были государственными или помещичьими крестьянами, получившими фамилию от уличного прозвища при переписях XIX века.