Фамилия Матрёшкина — одна из тех, что образована от личного имени или прозвища, но с неочевидным на первый взгляд корнем. Вопреки возможной ассоциации с деревянной расписной куклой, которая появилась лишь в конце XIX века, основа здесь гораздо старше. В основе лежит имя Матрёна (каноническая форма Матрона, от латинского «матрина» — «знатная мать», «почтенная замужняя женщина»). В народном быту имя приобрело уменьшительные формы: Матрёша, Матрёшка. Так называли не только девочек, но и взрослых женщин в кругу семьи или соседей — ласково или пренебрежительно, в зависимости от контекста.

Суффикс -ин в фамилии указывает на принадлежность: Матрёшкин — буквально «сын Матрёшки» или «человек из семьи Матрёшки». Это типичная модель русских фамилий XVI–XVII веков, когда отчество или прозвище отца (или матери) закреплялось за детьми. В случае с Матрёшкиной интересно, что исходное имя женское: фамилия могла образоваться от прозвища матери, если она была главой семьи, вдовой, или от имени бабушки, по которой внуков называли в быту. Такие «матрилинейные» фамилии встречаются реже, чем отчества от мужских имён, но в северных и центральных губерниях России они не редкость.

Вторая, менее вероятная версия связывает фамилию с прозвищем Матрёшка — так могли назвать человека за сходство с матрёшкой (куклой) уже в XIX–XX веках, когда игрушка стала популярной. Но эта гипотеза слаба: фамилия фиксируется в переписях раньше массового распространения матрёшки (1890-е годы). Скорее всего, перед нами именно вариант от имени Матрёна.

Ономастика подтверждает: по данным Б. Унбегауна, фамилии на -ин от женских имён (Марьин, Дарьин, Матрёшкин) были распространены в крестьянской среде, где женщину могли называть по мужу или по собственному имени, если она оставалась без мужа. Носительницы фамилии Матрёшкина, таким образом, могли происходить из семей, где в родословной была заметная фигура — женщина по имени Матрёна, давшая прозвище потомкам. Географически фамилия встречается в основном в центральных областях России, особенно в бывших Владимирской, Ярославской и Костромской губерниях, где имя Матрёна было одним из самых употребительных среди крестьянок.

По написанию фамилия устойчива: вариант через «ё» (Матрёшкина) — единственно верный с точки зрения современной орфографии, хотя в дореволюционных документах могли писать «Матрѣшкина» или «Матрешкина» (без ё). Сравнение с однокоренными фамилиями — Матрёнин, Матрёнов — показывает, что Матрёшкин образован от более ласковой формы имени, что может указывать на особое отношение к женщине-родоначальнице в семье.