Фамилия Мотылько звучит скорее по-украински или по-белорусски, чем по-великорусски. Выдает её суффикс -ко, который в восточнославянских фамилиях выполняет роль уменьшительного или патронимического показателя. В украинской и белорусской традиции такие фамилии (Ткаченко, Ковалько, Шевченко) часто обозначали сына человека, названного в основе: Мотыль — сын Мотыля, отсюда Мотылько.

Основа фамилии — прозвище или неканоническое имя Мотыль. В народной речи мотылём называли бабочку, мотылька. Скорее всего, прозвище дали человеку за внешнее сходство: лёгкий, быстрый, порхающий, возможно — суетливый или несерьёзный. В украинском языке слово «мотиль» также могло означать нечто мелкое, трепетное. Есть и другая версия: в некоторых западных говорах «мотыль» — это рычаг, ворот или приспособление для подъёма тяжестей. Тогда прозвище мог получить сильный, работящий человек, который «ворочает» дела. Но эта версия менее вероятна: переносное значение «мотылёк» в народной ономастике встречается чаще.

Интересно, что фамилия Мотылько не имеет форманта -ов/-ев, который типичен для русских фамилий от прозвищ. Это указывает на южное или западное происхождение рода — из земель, где фамилии на -ко закрепились раньше и в большем количестве. По переписям XIX века, носители фамилии встречаются преимущественно на территории современной Украины (Полтавщина, Черниговщина) и в южных уездах Беларуси. В центральной России фамилия редка.

С точки зрения словообразования, Мотылько — это не столько фамилия от насекомого, сколько фамилия-прозвище, закреплённая в уменьшительной форме. Она могла возникнуть и как самостоятельное прозвище для младшего сына в семье, где отца звали Мотыль. Подобные фамилии (Жук — Жучко, Кот — Котко) образуют целую группу, где суффикс -ко не столько уменьшает, сколько указывает на родство. Поэтому предок носителя фамилии, скорее всего, был сыном человека по прозвищу Мотыль, а не сам был «маленьким мотыльком».