Фамилия Наталия — редкий случай, когда в основе лежит не прозвище, не профессия и не географическое название, а полное женское имя. Это сразу выделяет её среди привычных русских фамилий на -ов и -ин. В большинстве случаев русские фамилии образовывались от имени отца: Иванов сын, Петров сын. Фамилия же Наталия, скорее всего, возникла в церковной или семинарской среде, где практиковали искусственные, «благозвучные» фамилии из церковного календаря. Святая Наталия Никомидийская, раннехристианская мученица, дала имя не только многим крестьянкам, но и, косвенно, их потомкам, которые получили фамилию по имени матери или по имени святой, в день памяти которой родились.

По словообразовательной модели здесь работает суффикс притяжательности, но не типичный русский -ов/-ев (Наталов) или -ин (Натальин), а нулевой. Фамилия просто застыла в форме именительного падежа имени. Это архаичная черта, которая встречается у фамилий, образованных от редких или иноязычных основ без переоформления. В русской ономастике такой тип называют «нетрансформированным» — имя стало фамилией без добавления суффикса, что указывает на позднее, книжное происхождение.

Географически фамилия Наталия не привязана к какому-то одному региону, но встречается нечасто. Её носители — это, как правило, потомки духовенства или, реже, люди, получившие фамилию в результате канцелярской ошибки при записи. Иногда фамилию могли дать внебрачному ребёнку по имени матери, если отец был неизвестен, но в таком случае чаще использовали форму Натальин. Вариант Наталия — более формальный, почти литературный, что снова отсылает нас к среде, где ценили грамотность и следовали святцам.

Если сравнивать с однокоренными, то Наталия стоит особняком. Есть фамилия Наталов (от прозвища Натал, что могло значить «упрямый» или «настырный»), есть Натальин (самая распространённая форма от имени Наталья). Наталия же — это не производное, а прямая заимствованная форма, сохранившая церковнославянское звучание. В современных справочниках её часто путают с фамилией Наталья, но разница принципиальна: Наталья — это разговорный вариант имени, а Наталия — канонический, и фамилия это закрепила.