Фамилия Наталькин образована по одной из самых распространённых в русской ономастике моделей: от женского имени через суффикс -ин. В основе лежит имя Наталья, а суффикс -ин указывает на принадлежность: «чей?» — Наталькин, то есть сын, потомок или человек из семьи Натальи. Такие фамилии (Машкин, Дарьин, Акулинин) в массе своей возникли в среде, где женщина играла заметную роль в хозяйстве или была кормилицей, а мужчина уходил на промысел или погибал. Поэтому Наталькин — не «фамилия от имени», а фамилия по матери, редкая в дворянской среде, но частая среди крестьян и мещан.

Интересно, что ударение в фамилии чаще ставят на первый слог — Нáталькин, хотя имя Натáлья имеет ударение на втором. Это типично для притяжательных форм на -ин: они «перетягивают» ударение на корень, как в случае с Ильин (от Илья), Марьин (от Марья). Встречается и вариант с ударением на последнем слоге — Наталькúн, но он менее характерен для русского литературного произношения.

По географии фамилия встречается не повсеместно. Основные очаги — центральные и южные регионы России: Тамбовская, Воронежская, Ростовская области. Это совпадает с зонами, где имя Наталья было особенно популярно в XVII–XVIII веках, а также с территориями позднего закрепощения, где фамилии на -ин у крестьян фиксировались позже и реже, чем на севере.

Спорных версий у фамилии практически нет: корень прозрачен, и альтернативные объяснения (например, от прозвища Наталька — «сластёна» или «неженка») вторичны и выводятся из того же имени. Словарь русских фамилий Б. Унбегауна относит Наталькина к разряду «матронимических», то есть образованных от женского имени, и подчёркивает, что такие фамилии в целом редки: их доля среди русских фамилий не превышает 3–5 процентов.

В дореволюционных источниках фамилия встречается с одним «л» — Наталькин, но в XIX веке иногда писали Наталкин, что отражает просторечное произношение имени (Наталка). Современный вариант закрепился с двумя «л» под влиянием литературной нормы. Носителей фамилии среди известных исторических лиц нет, что неудивительно: матронимические фамилии редко попадали в дворянские родословные книги.