Фамилия Наталюхина — женская форма фамилии Наталюхин, а та, в свою очередь, образована от прозвища или нецерковного имени Наталюха. В основе лежит просторечная форма мужского крестильного имени Наталий. Это имя происходит от латинского natalis — «родной» или «рождественский». В русской традиции имя Наталий встречалось редко, чаще использовалась его женская пара — Наталья, но мужская форма тоже бытовала, особенно в южных и западных регионах.

Модель образования фамилии — суффикс -ин, который в русском языке указывает на принадлежность: «чей?» — Наталюхин, то есть сын или потомок Наталюхи. Суффикс -юх- в основе — это характерный уменьшительно-ласкательный или просторечный формант, нередкий в северных и центральных говорах. Он придаёт имени оттенок фамильярности или родственной близости, как, например, в прозвищах Петрюха, Ванюха.

Фамилия Наталюхин встречается нечасто, что делает её ценной для генеалогии. Географически она тяготеет к центральным областям России, особенно к Тверской, Ярославской и Московской губерниям, где фиксировались носители этой фамилии в метрических книгах XIX века. Встречается также вариант написания с одной «л» — Натаюхин, но это, скорее, ошибка переписчиков.

Сословно предки Наталюхиных, вероятно, были крестьянами или мещанами. Фамилия не дворянская и не купеческая — её бытование в основном в сельской среде подтверждается отсутствием в родословных книгах. Прозвище Наталюха могло закрепиться за человеком, родившимся на Рождество или в сочельник, либо за тем, кто носил имя Наталий в честь святого — Наталия Римского, мученика IV века.

Если сравнивать с однокоренными фамилиями — Натальин, Наталин, Натальев — то Наталюхин стоит особняком из-за редкого суффикса. Это не «сын Натальи», а именно потомок человека с уменьшительным именем, что делает фамилию более личной и конкретной, привязанной к одному предку, а не к целому роду.