Фамилия Кольгина — женская форма, а её основа скрывается в мужском варианте Кольгин. Это типичная русская фамилия, образованная с помощью патронимического суффикса -ин, который указывает на принадлежность: «чей?» — кольгин, то есть сын или потомок Кольги. Сама же основа, Кольга, — это неканоническое прозвище или имя, которое в прошлом могло звучать как Кольга.

Корень здесь, скорее всего, тот же, что и в слове «колоть» или «колкий». В диалектах русского языка «кольга» означала нечто острое, колючее — например, занозу, шип или колючку. Прозвище Кольга могли дать человеку с острым языком, язвительному и колкому в общении. В других говорах «кольга» — это ещё и небольшая ямка, лужица, что отсылает к внешнему признаку (родинка, ямочка на щеке) или к месту жительства. Менее вероятна, но возможна связь с древнерусским именем Коля (уменьшительное от Николай) с наращением -га, как в формах Митьга, Васьга, но такое словообразование для имени Коля нетипично.

Фамилия Кольгин встречается в основном в центральных и северных областях России, особенно в Вологодской, Архангельской и Костромской губерниях. Это указывает на севернорусское происхождение, где прозвища на -га были особенно распространены. В документах XVII века, например в переписных книгах, упоминаются крестьяне с прозвищем Кольга. Предки носителей фамилии, скорее всего, были из крестьянской или посадской среды — ремесленники, землепашцы, люди, получившие прозвище за характер или внешность.

Если сравнивать с однокоренными фамилиями, то Кольгин стоит в одном ряду с Кольцовым (от «кольцо»), но с другим значением. Ближе по смыслу фамилии Колючий, Колкий — но они встречаются реже. Суффикс -ин подчёркивает, что родоначальник был человеком заметным: его прозвище запомнили и передали детям. Спорных версий здесь немного — основная дискуссия сводится к тому, от какого именно диалектного значения пошла фамилия, но связь с «колким» или «колючим» остаётся самой правдоподобной.