Фамилия Кельштейн — немецкая по происхождению, составная, образованная по модели, характерной для ашкеназских еврейских и немецких фамилий XIX века. Её основа — два корня: «Кель» и «штейн». Второй элемент, «-штейн» (нем. Stein — «камень»), встречается в сотнях немецких фамилий (например, Вайнштейн, Гольдштейн, Рубинштейн) и указывает либо на место жительства у скалы или каменного строения, либо на род занятий, связанный с камнем.

Первый корень сложнее. Есть две основные версии. Первая: «Кель» — это вариант немецкого «Köhl» или «Kohl», что значит «уголь» или «капуста». Фамилия могла означать «каменный уголь» — прозвище углежога или торговца углём. Вторая, более вероятная для ашкеназских фамилий: «Кель» восходит к идишскому слову «кейл» (קייל) — «холодный». Тогда Кельштейн — это «холодный камень», прозвище, которое могли дать человеку с холодным, невозмутимым характером. В пользу этой версии говорит то, что многие искусственные фамилии, присвоенные евреям в Австрийской и Российской империях, составлялись из абстрактных или поэтических сочетаний: «розовый камень», «сладкий цветок» и т.п.

Географически фамилия Кельштейн встречается в документах на территориях, входивших в Австро-Венгрию (Галиция, Буковина) и Пруссию, откуда её носители в конце XIX — начале XX века мигрировали в США, Аргентину и Палестину. В России фамилия редкая, в основном у потомков переселенцев из западных губерний.

Словообразовательная модель проста: два корня без соединительной гласной, что типично для немецких композитов. Ударение в русском языке обычно падает на первый слог: Ке́льштейн. Фамилия не склоняется по падежам, если принадлежит мужчине (Иван Кельштейн, Ивану Кельштейн), и не склоняется у женщин (Анна Кельштейн). Вариантов написания немного: встречается Kehlstein, но это скорее топоним (гора в Баварии), а не фамилия.

Сословная принадлежность первых носителей — почти всегда мещане или купцы, реже ремесленники. Дворянских родов с такой фамилией не зафиксировано.