Фамилия Мотрохина — женская форма фамилии Мотрохин. В русской традиции фамилии на -ин образовывались от основ, оканчивающихся на -а или -я. Следовательно, исходная мужская фамилия Мотрохин происходит от прозвища или имени Мотроха.

Корень «Мотр-» в восточнославянской антропонимии почти всегда восходит к женскому крестильному имени Матрёна. В народной речи это имя звучало как Мотрона, а уменьшительно-пренебрежительные формы — Мотроха, Мотря, Мотя. Так что Мотроха — это не столько прозвище по характеру, сколько обиходный вариант имени Матрёна. Соответственно, Мотрохин — «сын Мотрохи», то есть человек, чьего отца или деда в быту называли уменьшительным именем от Матрёны.

Это нетипичная модель образования: чаще всего основой для фамилий на -ин служили мужские имена (Иван — Иванов, но Иванин — от Ивана или Иванихи; здесь же имя женское). Однако в русских говорах, особенно в южнорусских и рязанских, фамилии от женских имён не редкость, если женщина была главой семьи или если имя относилось к деду по материнской линии. В словаре Б. Унбегауна «Русские фамилии» подобные случаи описываются как архаичные или диалектные.

Географически фамилия Мотрохин тяготеет к центральным и южным областям России: есть данные о её бытовании в Тульской, Липецкой, Воронежской и Рязанской губерниях. Это совпадает с ареалом, где имя Матрёна в форме Мотрона было особенно распространено в XIX веке. Социально предки Мотрохиных скорее всего были крестьянами или мещанами — в дворянской среде такие фамилии от женских уменьшительных имён почти не встречаются.

Редкий суффикс «-ох-» в основе (Мотр-ох-а) тоже характерен для народной, нелитературной речи. Сравните: Мотроха — как Палаха (от Пелагея), Дарьоха (от Дарья). Это придаёт фамилии отчётливый простонародный оттенок, без намёка на книжное или церковное происхождение.