Фамилия Наталюшкин — редкий пример того, как личное имя превратилось в фамилию, пройдя через цепочку уменьшительно-ласкательных форм. В основе лежит крестильное имя Наталия (от латинского «natalis» — «рождественский», «родной»). Но напрямую от полной формы фамилии не образуют: в русской традиции сначала появлялось обиходное прозвище или полуимя.

Здесь сработала модель, типичная для западных и южных регионов России: имя Наталья сократили до Наталя, а затем добавили суффикс -юшк-, который в разговорной речи давал ласкательный вариант Наталюшка. Так могли называть девушку или женщину в семье, а заодно — её мужа или сына: «Наталюшкин» буквально означает «чей?» — «принадлежащий Наталюшке». Суффикс -ин в конце указывает на принадлежность, как в фамилиях Петин, Сонин, Дашкин.

Интересно, что фамилия не встречается в центральных и северных областях, где чаще использовали суффикс -ушк- (Наталушкин). Вариант с -юшк- выдает южнорусское или украинское влияние: в говорах смягчение согласных перед суффиксом было нормой. По данным современных телефонных справочников, носители фамилии Наталюшкин в основном живут в Белгородской, Воронежской и Ростовской областях, а также на Кубани — то есть на территориях бывшего заселения черкасами и однодворцами, где фамилии на -ин от женских имён вообще были распространены шире, чем в остальной России.

Сословно фамилия скорее всего крестьянская или мещанская: в дворянской среде женские имена в основе фамилии встречались редко, а если и встречались, то от полных форм (Натальин, Марьин). Просторечная форма Наталюшка — верный признак незнатного происхождения. Никаких известных исторических деятелей с такой фамилией не зафиксировано, что только подтверждает её «домашний», бытовой характер: фамилия возникла в тесном кругу односельчан, где прозвище по матери или жене было естественным способом идентификации.