Фамилия Клеин — фонетический вариант немецкой фамилии Клейн (Klein). В основе лежит немецкое прилагательное kleiner — «маленький», «незначительный». Прозвище Клеин, скорее всего, давали человеку невысокого роста, худощавому или миниатюрному. Такие прозвища по внешним признакам — одна из самых распространённых моделей образования фамилий в немецкой культуре.

Интересно, что в русской среде написание «Клеин» вместо «Клейн» могло закрепиться из-за особенностей произношения и записи фамилии при переселении носителей в Российскую империю. Немецкое дифтонгическое сочетание «ей» на слух часто передавали просто как «е», отсюда и возник вариант с одной буквой. Это не ошибка, а естественная адаптация иноязычной фамилии к русской графике.

Фамилия Клеин — памятник не только немецкой культуры, но и процесса межъязыкового взаимодействия. Она могла принадлежать потомкам немецких колонистов, ремесленников или купцов, осевших в разных губерниях Российской империи. Точное время и место возникновения конкретной ветви рода устанавливается только через генеалогические исследования, но сама модель фамилии указывает на её западноевропейские корни.

В отличие от многих русских фамилий на -ин, образованных от имён или профессий, здесь суффикс -ин не является патронимическим (указывающим на отца). В фамилии Клеин он — результат русификации немецкой основы, добавленный для приведения фамилии в привычную для русского уха грамматическую форму. Передаваясь из поколения в поколение, фамилия сохраняет память о происхождении индивида и о том, как когда-то его далёкий предок получил своё прозвище.