Фамилия Холодилин — это классический пример русского «прозвищного» именования, то есть фамилии, образованной не от календарного имени, а от личного прозвища, которое давали человеку в быту. В основе лежит прозвище Холодила, а сама фамилия отвечает на вопрос «чей ты будешь?» — то есть «сын Холодилы». Суффикс -ин указывает на принадлежность, так что Холодилин буквально означает «ребёнок, потомок Холодилы». Такая модель — одна из самых распространённых в русской ономастике, она же дала тысячи фамилий от Ивана (Иванов) до Петра (Петров), но здесь в основе не имя, а прозвище.

Значение прозвища напрямую связано с нарицательным словом «холод». Самая вероятная версия — «холодным» или «холодилой» называли ребёнка, родившегося зимой, в лютый мороз. В народной традиции такие имена-обереги давали не в обиду, а с тайным смыслом: считалось, что имя, связанное со стихией, передаст её силу. Поэтому Холодила могло ассоциироваться с крепким здоровьем, стойкостью, суровым и волевым характером — человеком, которого не берёт стужа. Эта версия выглядит правдоподобнее всего, потому что опирается на типичную для русских говоров практику прозвищ от погодных явлений: Мороз, Стужа, Вьюга.

Существует и вторая, более редкая гипотеза, которая уводит в профессиональную сферу. Словом «холодильник» в старину называли не бытовой прибор, а устройство, снаряд для охлаждения пара — например, в винокуренном или пивоваренном деле. Если принять эту версию, то Холодилой могли прозвать рабочего, который обслуживал такой аппарат. Тогда фамилия относится к разряду «профессиональных» именований, указывающих на занятие предка. Однако эта трактовка менее убедительна: слово «холодильник» в техническом значении фиксируется довольно поздно, а прозвища от погоды встречаются в документах значительно раньше и чаще.

О точном месте и времени возникновения фамилии говорить сложно — процесс формирования русских фамилий растянулся на несколько столетий, с XV по XVII век, и шёл в разных регионах неравномерно. Можно лишь уверенно сказать, что фамилия Холодилин — памятник славянской письменности и культуры, сохранивший в себе память о прозвище, которому не меньше трёхсот-четырёхсот лет. Встречается она преимущественно в центральной России и Поволжье, хотя сегодня её носители рассеяны по всей стране. Интересно, что однокоренные фамилии — Холодов, Холодков, Холодильников — образованы от тех же основ, но разными суффиксами, что лишний раз подтверждает: прозвища от слова «холод» были в ходу у разных семей независимо друг от друга.