Фамилия Малыхин образована по одной из самых распространённых в русском языке моделей: от прозвища или имени с помощью суффикса -ин, указывающего на принадлежность («чей?» — «Малыхин сын»). Основа здесь — прозвище Малыха, ласкательная форма от «малый». В семьях так называли младшего ребёнка или просто малыша, и это прозвище закреплялось за человеком на всю жизнь.

Словообразовательная цепочка здесь прозрачна: Малыха → Малыхин. Суффикс -ин типичен для фамилий, образованных от основ на -а/-я, в отличие от -ов/-ев, которые присоединяются к основам на согласный. Это одна из деталей, которая сразу указывает на характер исходного прозвища.

Возможна и другая версия: основа могла восходить к имени Мал, которое на Руси бытовало как самостоятельное имя или как сокращение от крестильных Малахий и Меланья. Однако в случае с Малыхиным более правдоподобно именно прозвищное происхождение. Ласкательная форма Малыха органичнее ложится в модель фамилии, чем прямое имя.

С. Б. Веселовский в своём «Ономастиконе» отмечает, что прозвище Малыш было широко распространено в XV–XVII веках, особенно в Вотской пятине. Это косвенно подтверждает, что и форма Малыха могла бытовать в тех же краях. Уже в XV–XVI веках фамилии на -ин закреплялись в среде служилых и богатых людей, но в простонародье они окончательно утвердились позже. Так потомок человека по прозвищу Малыха и стал Малыхиным.