Фамилия Катылёва — женская форма фамилии Катылёв, и её происхождение напрямую связано с мужской основой. Сама же фамилия Катылёв — довольно редкая и, скорее всего, имеет прозвищное происхождение. В её основе лежит слово «катыль» — так в некоторых русских говорах, особенно на севере и в Сибири, называли небольшой, часто неказистый стог сена или соломы, а также валок, который образуется при сгребании сена граблями. Человек, получивший прозвище Катыль, мог быть невысоким, плотным, круглолицым — то есть внешне напоминать такой стожок. Вторая, менее вероятная, но возможная версия связывает фамилию с диалектным глаголом «катылять» — катить, перекатывать. В таком случае прозвище могло закрепиться за тем, кто занимался перевозкой или перекаткой тяжёлых грузов, бочек, брёвен.

Суффикс «-ёв» указывает на типичную русскую модель образования фамилий от прозвищ, оканчивающихся на мягкий согласный или на «-ль». Фонетически форма Катылёв, а не Катылев, подчёркивает ударный суффикс, что характерно для северных и сибирских говоров, где ударение в фамилиях часто падает на окончание. В центральных областях России та же основа могла бы дать фамилию Катылев с ударением на корень.

Интересно, что фамилия практически не встречается в центральных и южных регионах. Основной ареал её бытования — Вологодская, Архангельская области и Пермский край. Это косвенно подтверждает северное происхождение: именно там слово «катыль» в значении «стог» было в ходу, а фамилии с суффиксом «-ёв» под ударением — типологически часты.

Сословная принадлежность носителей фамилии, скорее всего, была крестьянской. Прозвище Катыль не несло негативного оттенка — оно было бытовым, описательным, и закрепилось за родом без привязки к дворянству или духовенству. В дореволюционных метрических книгах фамилия Катылёв встречается редко, но стабильно в указанных регионах, что говорит о её локальном, но устойчивом бытовании на протяжении нескольких столетий.