Фамилия Молотилкин — из тех, что прямо указывают на занятие предка. В основе лежит слово «молотилка» — сельскохозяйственное орудие для обмолота зерна, то есть отделения зёрен от колосьев. В XIX веке молотилками называли и ручные цепы, и более сложные конные или паровые машины. Человек, работавший на такой молотилке или делавший их, получал прозвище Молотилка, а его потомки становились Молотилкиными.

Суффикс -ин указывает на принадлежность: «чей?» — «Молотилкин», то есть сын или работник Молотилки. Это типичная модель для русских фамилий от названий профессий и орудий труда. Интересно, что фамилия образована не от глагола «молотить» (тогда была бы Молотилов или Молотильщиков), а именно от названия предмета — молотилки. Это делает её более редкой и конкретной.

В дореволюционной России владельцы молотилок были зажиточными крестьянами или мелкими помещиками, а работа на них — сезонным промыслом. Поэтому Молотилкины могли происходить из центральных земледельческих губерний, где хлебопашество было главным занятием: Тамбовской, Воронежской, Курской, Рязанской. Фамилия не относится к числу аристократических — это типично крестьянская или ремесленная фамилия, возникшая в среде, где человека называли по делу.

Есть и более прозаичная версия: в некоторых говорах «молотилкой» называли болтливую женщину или сплетницу. Но для фамилии эта версия маловероятна — прозвища по ремеслу всегда перевешивали в официальных документах. К тому же, суффикс -ин в таких случаях образовывал бы фамилию от мужского прозвища, а женские прозвища редко становились основами для фамилий.

Встречаются однокоренные фамилии: Молотилов, Молотильщиков, Молотков. Все они из одного гнезда, но Молотилкин — самая редкая, потому что привязана не к действию, а к конкретному инструменту, который вошёл в обиход позже цепа и косы.