Фамилия Холодилкин — редкий случай, когда прозвище, лёгшее в основу, почти наверняка связано не с бытовым предметом, а с характером или поведением человека. При поверхностном взгляде кажется, что предок имел дело с холодом: торговал льдом, работал на леднике или жил в холодной избе. Но в русской ономастике действует простое правило: прозвища редко давали по абстрактным понятиям. «Холодилкой» в крестьянской среде называли не устройство, а человека — того, кто постоянно зябнет, кутается, мёрзнет даже в тепле, или, наоборот, ведёт себя отстранённо, «холодно» с людьми.

Суффикс -ин указывает на принадлежность: «чей?» — Холодилкин, то есть сын или потомок Холодилки. Это типичная модель для русских фамилий, образованных от прозвищ с уменьшительным или пренебрежительным суффиксом -к(а). Сравните: Косилкин (от «косилка» — не инструмент, а человек, который косит неловко), Грелкин (кто всё время греется). В случае с Холодилкиным прозвище звучало как Холодилка — так могли назвать вечно мёрзнущего ребёнка или брюзгу, который «студит» атмосферу вокруг себя.

Версия о происхождении от профессии маловероятна. «Холодильщик» — человек, работающий со льдом, — дал бы фамилию Холодильщиков или Холодильников. Форма на -илкин здесь вторична и носит скорее прозвищный, ироничный оттенок. В документах XVII–XVIII веков такая фамилия не встречается; она могла возникнуть в XIX веке в среде крестьян или мещан, где прозвища цеплялись особенно цепко.

Географически Холодилкины тяготеют к центральным и северным областям России — Вологодской, Архангельской, Костромской. Там, где зима длится по полгода, прозвище «Холодилка» было понятно без объяснений. В южных губерниях эта фамилия почти не встречается. По сословному составу — в основном крестьяне, реже мещане; дворянских родов с такой фамилией нет.

С точки зрения словообразования фамилия интересна тем, что сохранила редкий суффикс -илк-, который в русских фамилиях почти вытеснен -ов и -ев. Аналоги: Губилкин, Томилкин, Крутилкин — все они образованы от глагольных основ со значением действия или состояния. Холодилкин стоит в этом ряду как обозначение человека, который «холодит» — либо мёрзнет сам, либо наводит холод на других.