Фамилия Наталина — редкий случай в русском ономастиконе, и её редкость уже сама по себе подсказывает путь разбора. В отличие от массовых фамилий на -ов и -ин, которые образовывались от имён отцов, здесь мы видим суффикс -ин, но с женской основой. Это сразу выдаёт необычную модель: фамилию дали не по отцу, а по матери, чьё имя Наталья легло в основу через просторечную форму Наталя.

Само имя Наталья восходит к латинскому «наталис» — «родной, родимый», а также связано с выражением «диэс наталис», то есть «день рождения, рождества». Любопытно, что за женским именем стоит старинное мужское Наталий, ныне почти забытое. Так что смысловая цепочка здесь двойная: и «родная», и «рождественская».

Суффикс -ин в фамилии Наталина указывает на принадлежность: буквально «чей?» — «Наталин», то есть сын или дочь Натальи. Такие «матрилинейные» фамилии встречаются нечасто и обычно возникали в ситуациях, когда женщина вела хозяйство одна, была вдовой или имела особый вес в семье, либо когда ребёнок рождался вне брака и записывался по матери. В крестьянской среде это было редкостью, но в мещанской и однодворческой — возможным.

Словообразовательная модель с женским именем в основе характерна скорее для западных и южных регионов России, а также для Украины и Беларуси, где традиция передачи фамилии по матери сохранялась дольше. Однако без генеалогических изысканий утверждать точную географию возникновения рода Наталиных нельзя — фамилия могла появиться в разных местах независимо.

Стоит отличать Наталину от фамилий с похожим звучанием, например, Натальин или Натальцев. Первая — та же модель, но от полной формы имени, вторая — от прозвища или отчества с патронимическим суффиксом. Наталина же стоит особняком: она застыла в форме, которая сегодня воспринимается как женская, хотя исторически это была фамилия мужчины. Такое несоответствие рода и окончания нередко сбивает с толку при поиске предков, но именно оно делает фамилию узнаваемой.