Фамилия Мотовилин происходит от прозвища Мотовила. В его основе лежит нарицательное «мотовило» — так называли мотальное орудие, палку или прибор, на который наматывают пряжу и шелк. Чаще всего такое прозвище давали ткачу, то есть оно относилось к «профессиональным» именованиям и прямо указывало на род занятий человека. Но в переносном смысле мотовилом могли назвать и долговязого, непостоянного или лукавого человека — слово было емким и живым.

Прозвище закрепилось за человеком как основное именование, а его потомки со временем стали Мотовилиными. Суффикс -ин указывает на принадлежность: Мотовилин буквально значит «сын Мотовилы», «из рода Мотовилы». Это одна из самых распространенных моделей русских фамилий, образованных от прозвищ, — по тому же принципу возникли, например, Пряхин или Ткачев, только с другим корнем.

Сам корень «мот-» родственен глаголам «мотать», «наматывать», и в ономастике он дал целое гнездо фамилий: Мотов, Мотовилов, Мотовилин. Разница в суффиксах отражает разные пути словообразования. Мотовилин — вариант, где прозвище Мотовила напрямую стало основой, а не перешло в форму на -ов. Это делает фамилию чуть более редкой по словообразовательной модели, хотя корень узнаваем.

В исторических источниках встречается Тимофей Федорович Мотовило Шевлягин, живший во второй половине XIV века. Это одно из ранних упоминаний подобного прозвища, и оно показывает, что слово бытовало в древнерусской антропонимии задолго до закрепления фамилий. Впрочем, процесс формирования каждой конкретной фамилии мог быть длительным и не всегда привязан к одной местности, поэтому точно сказать, где и когда именно возникли Мотовилины, можно только после серьезных генеалогических изысканий.