Фамилия Катюшина — это отчество в форме притяжательного прилагательного, отвечающего на вопрос «чей?». Её основа — имя Катюша, которое является уменьшительно-ласкательной формой от крестильного имени Екатерина. Суффикс -ин указывает на принадлежность: Катюшин сын, Катюшина дочь. Если бы фамилия имела суффикс -ов, она звучала бы как Катюшов, но в русской ономастике модель на -ин чаще закреплялась за основами, оканчивающимися на -а/-я.

Само имя Екатерина пришло на Русь из Византии вместе с христианством, но долгое время оставалось редким. Массовое распространение оно получило начиная с XVIII века, когда императрица Екатерина I, а затем Екатерина II сделали его престижным. Однако Катюша — форма не аристократическая, а народная, домашняя. В быту так называли девочек и женщин в крестьянской, мещанской и купеческой среде, нередко — без оглядки на официальное полное имя. Поэтому фамилия Катюшина могла возникнуть как уличное прозвище, закрепившееся за потомками.

Особенность фамилии в том, что она образована не от полного имени, а от его разговорного варианта. Это отличает её, скажем, от фамилии Екатеринин, которая встречается реже и звучит книжно. Катюшина — пример того, как народная речь проникает в официальный документооборот: в переписных книгах или ревизских сказках писарь мог записать человека как «Катюшин сын» или «Катюшина вдова», закрепив за семьёй это имя. Географически фамилия встречается повсеместно, но чаще в центральных и южных регионах России, где имя Катюша было особенно употребительным.

Есть и вторая, менее вероятная версия: прозвище Катюша могло относиться к мужчине. В русских говорах так иногда называли человека с мягким характером или того, кто любил петь песню «Катюша». Но для фамилий такое происхождение — скорее исключение, чем правило. Основная масса Катюшиных — потомки женщины по имени Катюша или её мужа, которого в деревне звали «Катюшин» по жене.

Сравните с однокоренными фамилиями: Катин, Катенькин, Катькин. Все они построены по одной модели, но Катюшина — самая распространённая из них. Это говорит о том, что именно форма Катюша была наиболее ходовой в народе.