Фамилия Наталий — редкий случай, когда в основе лежит не крестильное имя, а его женская форма. Подавляющее большинство русских фамилий образовано от мужских имён (Иван → Иванов, Пётр → Петров), но здесь исходным стало имя Наталия (в просторечии Наталья). Такое возможно, если ребёнок рос без отца, или мать играла в семье главную роль, или фамилию давали по бабушке. В русской традиции это называлось «материнской» или «женской» фамилией, и встречалось она реже мужской.

С точки зрения словообразования фамилия укладывается в простую модель: основа Наталий- (от полной формы имени Наталий, которая в разговорной речи раньше звучала как Наталий, а не Наталья) плюс нулевое окончание. То есть это не типичное притяжательное прилагательное на -ов/-ин, а краткая форма, которая застыла в родительном падеже множественного числа: «из рода Наталиев» → «Наталий». В дореволюционных документах можно встретить вариант Наталиев — с суффиксом -ев, который со временем отпал в устной речи.

Имя Наталия (от лат. natalis — «родной», «рождественский») пришло на Русь с христианством и быстро стало популярным. В крестьянской среде фамилии от женских имён чаще давали внебрачным детям или сиротам, но в духовном сословии — реже. Поэтому носители фамилии Наталий могли происходить из разных слоёв: от крестьян, где мать была единственным кормильцем, до мещан, где фамилию закрепили по семейной традиции.

Географически фамилия встречается точечно, в основном в центральных и южных регионах России, а также на Украине. Встречаемость низкая, что делает её своеобразным маркером: если вы носите фамилию Наталий, скорее всего, ваши предки жили в небольшой локальной группе, где фамилия не разошлась широко.

Интересно, что в польской и белорусской традиции аналогичная фамилия звучала бы как Наталевич или Натальский, а в русской — закрепилась именно краткая форма. Это говорит о том, что фамилия оформлялась в среде, где ценилась простота произношения и не было нужды в дополнительных суффиксах.