Фамилия Катюшка — редкий случай, когда в основе лежит не каноническое имя, а его народная, ласкательная форма. В отличие от распространённых Катиных, Катькиных и Катюхиных, эта фамилия сохранила в своей основе уменьшительно-ласкательный вариант имени Екатерина — Катюшка. В русской ономастике фамилии на -ка чаще всего указывают на прозвище, данное по имени матери или жены: Катюшкой могли ласково называть женщину, а её дети или муж получили прозвание «Катюшкин», которое затем трансформировалось в Катюшка.

Словообразовательная модель здесь нестандартна. Обычно фамилии от женских имён образовывали через суффикс -ин (Катеринин, Катькин), но форма Катюшка стоит особняком. Она могла возникнуть двумя путями. Первый — как прозвище мужчины, который был известен тем, что постоянно называл жену Катюшкой, и это закрепилось за ним самим. Второй, более вероятный, — фамилия сохранилась в неизменном виде от древнерусского прозвищного имени, которое давали ребёнку в семье, где мать звали Екатериной. В некоторых говорах, особенно в южнорусских и белорусских землях, фамилии на -ка (-ко) вообще характерны для прозвищ: Катюшка, как и Пашка, Васька, изначально могло быть не фамилией, а обиходным именем.

Географически фамилия тяготеет к западнорусским и украинским регионам. В XIX веке носители фамилии Катюшка встречались в Могилёвской, Черниговской и Харьковской губерниях. Это косвенно подтверждает связь с белорусской и украинской традицией, где окончание -ка в фамилиях встречается чаще, чем в северных областях России. Социально предки-носители этой фамилии, скорее всего, были крестьянами или мещанами — в дворянских родах такие «домашние» формы не приживались.

Любопытно, что фамилия Катюшка практически не имеет однокоренных «конкурентов» с тем же суффиксом. Есть Катюшкин, Катюхов, Катюхин, но форма без суффикса притяжательности — Катюшка — встречается крайне редко. Это делает её ценной для генеалогии: если вы носите такую фамилию, ваши предки, вероятно, происходят из небольшой локальной группы, где прозвище закрепилось именно в такой ласковой форме.