Фамилия Натальцова — редкий пример отчества, образованного не напрямую от полного крестильного имени, а от его разговорной, уменьшительной формы. В основе лежит имя Наталья (церковное Наталия, от латинского natalis — «родная» или «рождественская»). От него возникли обиходные варианты: Наталя, Наталяха, Наталька, а затем и краткая форма Наталец. Суффикс -ец в данном случае не столько уменьшительный, сколько указывающий на лицо — «сын Натальца» или «тот, кто относится к Наталье».

Словообразовательная модель проста: основа Наталец- плюс суффикс -ов- (в женском роде -ова) — типичный патроним, фиксирующий принадлежность к отцу или главе семьи. Фамилия Натальцов (мужской вариант) и Натальцова (женский) закрепились в XIX веке, когда у крестьян и мещан фамилии часто образовывали от имени матери или бабушки, если женщина была главой двора или её имя было более употребительным.

Географически фамилия тяготеет к южнорусским и украинским говорам, где форма «Наталец» встречается чаще, чем в северных регионах. Встречается в документах по Воронежской, Курской и Ростовской областям. Написание с «ц» (а не с «тс») — показатель народной этимологии: на письме отразили произношение, где сочетание «тц» звучит как долгий [ц:].

Родственной фамилией можно считать Натальцев — вариант с другим суффиксом, но той же основой. В отличие от распространённых Натальиных или Натальевых, Натальцова сохраняет редкую словообразовательную цепочку: имя → краткая форма → суффикс -ец → патроним. Носительницы этой фамилии, скорее всего, происходят из семей, где в родословной была женщина по имени Наталья, чей сын или внук получил прозвище по матери — явление, типичное для беспоместных крестьян, у которых фамилии складывались бытовым путём, без участия церковной или дворянской традиции.