Фамилия Холодинская — вариант женского рода от Холодинский, и её разумнее всего рассматривать как фамилию географическую, образованную от названия населённого пункта. Типичный формант -ск(ий) указывает на происхождение от топонима: такую фамилию обычно получал дворянин по названию своего поместья или, реже, житель, переселившийся из села и названный по месту прежнего жительства. В основе лежит корень «холод», и логично предположить, что название села или деревни (Холодино, Холодинск) было дано по природным условиям — открытому ветрам месту, роднику с ледяной водой, либо по фамилии или прозвищу первопоселенца Холод, Холода.

В русской ономастике фамилии на -ский долгое время были маркером социального статуса. В XVII–XIX веках их активно носили дворяне (в том числе столбовые) и духовенство. Для крестьян и мещан такие фамилии были редкостью и часто появлялись при переходе из центральных губерний в южные, где топонимические прозвания фиксировали за новыми поселенцами. Поэтому Холодинские могли быть как помещиками, владевшими землёй в местности с «холодным» названием, так и выходцами из духовного сословия — семинаристы нередко получали фамилии от названий сёл, где служили их отцы.

География фамилии неширокая, но устойчивая. Наибольшая концентрация Холодинских (в мужском и женском варианте) фиксируется в западных областях России, особенно в Смоленской и Псковской, а также на востоке Беларуси. Это регионы, где топонимы с корнем «холод» встречаются часто — например, деревни Холодилово, Холодное, Холодинка. Именно в этих местах фамилия могла возникнуть независимо в нескольких родах, что объясняет её относительную редкость при разбросе носителей.

В написании фамилии возможна путаница с похожими по звучанию вариантами: Холодинская иногда ошибочно записывается через «а» (Халадинская) или с удвоенной «н» (Холодиннская). Однако исторически верная форма — с одной «н» и суффиксом -ин- перед -ск-, что характерно для фамилий, образованных от основы на -ин (Холодин → Холодинский). Если бы исходным было слово «холодина» (увеличительное от «холод»), фамилия звучала бы как Холодинский, но в таком случае ударение сместилось бы на второй слог — Холодинский. В реальности большинство носителей произносят фамилию с ударением на третий слог: Холоди́нская.