Фамилия Катюнин — редкий пример, когда за основу взято не мужское имя, а женское. В её основе лежит имя Катюня — ласковая форма от Екатерина. Такая модель образования (женское имя + суффикс -ин) встречается в русских фамилиях нечасто и обычно указывает на одно из двух: либо предка звали Катюней (например, мужчину с таким прозвищем), либо фамилия образована от имени матери.

Второй вариант — так называемая матронимическая фамилия, то есть по матери. На Руси такие фамилии давали детям, если отец был неизвестен, умер рано или не участвовал в воспитании. Иногда их давали внебрачным детям, но не только: в некоторых регионах, особенно на Севере и в Сибири, фамилии по материнской линии были обычным делом из-за частых отходов мужиков на промыслы. Катюнин — один из таких случаев: «чей?» — «Катюнин сын», то есть сын Катюни.

Суффикс -ин типичен для русских фамилий, образованных от основ на -а/-я, и не несёт дополнительной смысловой нагрузки. Само имя Катюня — народный, разговорный вариант, который звучит теплее и проще, чем полное Екатерина. В старых переписных книгах такое имя встречается как у женщин, так и изредка у мужчин в качестве прозвища (например, за мягкий нрав или любовь к сладкому — катюнями в некоторых говорах называли пряники).

Географически фамилия тяготеет к центральным и северным областям России. Встречается она нечасто, что делает её ценной для носителей: это не массовая фамилия вроде Иванова, а редкий след конкретной семейной истории, где когда-то ключевую роль сыграла женщина по имени Катюня.