Фамилия Моталыгина — женская форма фамилии Моталыгин, а та, в свою очередь, образована от прозвища или мирского имени Моталыга. Основа здесь — глагол «мотать» в одном из его старых, ныне почти забытых значений. В русских говорах «моталыгой» называли человека, который мотает, то есть наматывает что-либо (например, нитки на веретено или пряжу на мотовило). Но чаще это слово имело переносный смысл: так говорили о непоседливом, суетливом человеке, который постоянно «мотается» туда-сюда, не сидит на месте. В словаре Владимира Даля «моталыга» — это «шатун, беспокойный человек, непоседа».

Суффикс -ыг- в основе нечастый, он придаёт слову оттенок пренебрежения или фамильярности, как в «бедолага» или «растяпа». То есть Моталыга — это не просто тот, кто мотает, а тот, кто делает это бестолково, хаотично. Вполне вероятно, что прозвище дали человеку с беспокойным характером или тому, кто часто менял место жительства, переезжал.

Модель образования фамилии — суффикс -ин, указывающий на принадлежность: «сын Моталыги» или «жена Моталыгина». Такие фамилии типичны для северных и центральных областей России, где активно использовались прозвищные формы на -ыга. Фамилия редкая, её географическое распространение невелико, что говорит о локальном происхождении — скорее всего, от одного прозвища в конкретной деревне или волости.

В отличие от фамилий, образованных от крестильных имён (Иванов, Петров), Моталыгин — чисто прозвищная фамилия, не связанная с церковным календарём. Это значит, что предок носителя фамилии получил своё уличное имя не по святому, а по поведению или занятию. Версия о ремесленном происхождении (мотальщик пряжи) тоже возможна, но менее вероятна: в говорах для профессии использовали слово «мотальщик», а не «моталыга».