Фамилия Кельштеин — редкий пример фамилии, которая не вписывается ни в славянскую, ни в привычную немецкую модель массовых фамилий. Сразу бросается в глаза окончание -штеин. В немецком языке это слово Stein — «камень». Такое окончание характерно для фамилий ашкеназских евреев, которые в XVIII–XIX веках массово получали фамилии от названий мест или искусственно составленные из двух корней. Но здесь корень Кель- — не «холодный» (kalt) и не «глина» (Kelle), а скорее искажённое или адаптированное на русской почве немецкое слово.

Наиболее правдоподобная версия: фамилия восходит к немецкому топониму или искусственному сложению. Первая часть могла быть от названия реки Кель (Kyll) в земле Рейнланд-Пфальц, или от фамилии Kehl (от средневерхненемецкого «горло», «ущелье»). В сочетании со словом «камень» получается что-то вроде «камень у ущелья» или «камень с реки Кель». Фамилии такого типа — Кельштейн, Кельштейн — встречаются у евреев-ашкеназов, которые в Российской империи при переписях записывали фамилии на слух, поэтому возможны варианты написания: Кельштейн, Кельштеин, Кельштин.

Другая версия, менее вероятная, — что перед нами русифицированная форма немецкой фамилии Kälstein (от Kälte — холод), но тогда в русском языке было бы «Кельтштейн» или «Кельдштейн». Суффикс -ин в русском окончании здесь не родовой (как в Иванов — сын Ивана), а просто адаптация немецкого окончания -ein, которое на слух воспринималось как -ин.

Географически фамилия Кельштеин в дореволюционных источниках встречается в черте оседлости — в Волынской, Подольской и Киевской губерниях. Носители были, как правило, мещанами или купцами, реже — ремесленниками. Дворянских корней у этой фамилии нет: она не фигурирует в «Общем гербовнике» и не упоминается в родословных книгах.

Таким образом, Кельштеин — это фамилия-топоним, скорее всего ашкеназского происхождения, образованная по модели «название места + камень». Носитель такой фамилии мог быть выходцем из местечка или города, который в немецком назывался Кельштайн (Kehlstein) или иметь предка, получившего фамилию от названия реки Кель.