Фамилия Косотухина — женская форма, а её основа, мужская фамилия Косотухин, образована по одной из самых распространённых в русской ономастике моделей: от прозвища с суффиксом -ин. Суффикс указывает на принадлежность: Косотухин — это «сын Косотуха» или «человек из семьи Косотуха». Само прозвище Косотух состоит из двух корней: «косой» (кривой, искривлённый) и «тух» (от «тухнуть», то есть гнить, портиться, или же от диалектного «тух» — затычка, пробка). На слух сочетание звучит неблагозвучно, но для русского прозвища XV–XVII веков это норма: именовали по внешности, характеру или привычке, не заботясь о красоте звука.

Более правдоподобная версия — прозвище дали человеку с кривой, свёрнутой набок шеей или головой. В северных и центральных говорах слово «тух» могло означать «затылок», «загривок» или «шея». Тогда Косотух — буквально «кривошеий», то есть тот, кто держит голову набок. Такие прозвища были описательными и не обязательно несли оскорбительный оттенок: в крестьянской среде меткое прозвище закреплялось за человеком и переходило к детям. Альтернативная версия связывает «тух» с глаголом «тухнуть» в значении «портиться», «гнить», и тогда прозвище могло относиться к неопрятному или больному человеку, но эта гипотеза слабее: в русской антропонимии редко использовали корень с прямым значением гниения для личного прозвища, чаще брали метафоры (Гнилозубов, Гнилорыбов — но там «гнилой» в смысле «слабый», «хилый»).

Фамилия недворянская и не священническая: суффикс -ин и прозвищная основа выдают крестьянское или мещанское происхождение. В ревизских сказках и переписях XIX века Косотухины встречаются в основном в центральных губерниях России — Владимирской, Костромской, Ярославской, а также на Урале, куда переселенцы уходили из обжитых мест. Встречается и написание с одной «с» — Косотухин, но это не ошибка, а диалектное произношение: в говорах «косой» часто звучало как «касой», и на письме это отражалось факультативно.

У фамилии есть редкая черта: она избежала переосмысления в литературном языке. В отличие от Кривошеева или Кривоносова, где корень «косой» заменён на «кривой», Косотухин сохранил архаичную форму. Это делает фамилию ценным маркером для историков языка — она застыла в том виде, в каком её записал писарь триста лет назад, не подгоняя под столичную норму.