Фамилия Катюнины образована по самой распространённой в русском языке модели — с помощью суффикса -ин, который присоединялся к основам на -а/-я. В данном случае основа — имя Катюня. Это не официальная форма, а ласкательное, домашнее производное от крестильного имени Екатерина. В русской деревне такие уменьшительные имена (Катюня, Катюха, Катюша) были обычным делом: в быту человека так и звали, а в официальных документах могли записать по имени отца или по собственному имени, если семья была незнатной. Суффикс -ин указывает на принадлежность: Катюнины — буквально «чьи?» — люди из рода Катюни, то есть потомки человека, которого в обиходе звали Катюней.

Словообразовательный разбор показывает, что фамилия могла возникнуть и по другой, более редкой схеме. В некоторых говорах Катюней могли прозвать не женщину, а мужчину — например, чрезмерно мягкого, женоподобного или просто любимца женщин. Такие прозвища по женским именам у мужчин встречаются, но обычно они носили ироничный или уничижительный оттенок. Однако правдоподобнее, что родоначальником Катюниных была женщина: в русской ономастике есть немало фамилий от женских имён (Маринины, Аннины, Ольгины), и они часто указывают на внебрачное происхождение или на то, что мать играла в семье главную роль, была вдовой или единственной кормилицей.

Географически фамилия Катюнины тяготеет к центральным и северным областям России. Встречается в старых писцовых книгах Новгородской и Вологодской губерний, где форма Катюня была особенно употребительна. В южнорусских говорах предпочитали другие варианты — Катёна, Катря. Если сравнивать с однокоренными фамилиями, то Катюнины стоят ближе к Катюхиным и Катюшиным, а Катенины и Катеринины — это уже иной пласт, восходящий к полным формам имени.

Сословная принадлежность Катюниных не закреплена: среди них были и крестьяне, и мещане, и духовенство. В XIX веке фамилия фиксируется у однодворцев Тамбовской губернии, что указывает на потомков служилых людей, охранявших южные рубежи. Но в целом фамилия не элитарная — она из гущи народной речи, из тех имён, что звучали на деревенских посиделках, а не в дворянских гербовниках.