Фамилия Натанзон — типичный пример ашкеназской еврейской патронимической фамилии, образованной по немецкой модели. Её основа — мужское личное имя Натан (в русской традиции часто Натан, реже Нафан), которое восходит к древнееврейскому «Натан» — «дал», «дарованный» (Богом). Суффикс «-зон» (нем. -sohn) буквально означает «сын». Таким образом, Натанзон — это «сын Натана». Модель образования «имя отца + зон» была одной из самых распространённых среди евреев Германии и Австро-Венгрии в конце XVIII — начале XIX века, когда империи обязали еврейское население закрепить наследственные фамилии.

В отличие от восточноевропейских еврейских фамилий с суффиксами -ович, -евич или славянскими окончаниями, фамилии на -зон указывают на более западный ареал происхождения — скорее всего, Пруссию, Силезию или австрийскую Галицию. Интересно, что в немецком языке слово Sohn произносится с долгим «о», поэтому в русском написании часто встречается вариант «Натанзон», а не «Натансон». Второй вариант (с «с») тоже возможен, но он характерен для скандинавской или англизированной передачи той же модели.

Имя Натан в еврейской среде было очень популярно: его носил библейский пророк Натан, обличавший царя Давида. Поэтому однофамильцев у Натанзонов много, и они не связаны единым родством. По фамилии невозможно определить ремесло или место жительства предка — только то, что его отца звали Натаном. Сословная принадлежность тоже не зашифрована: носители фамилии могли быть и торговцами, и раввинами, и ремесленниками.

С точки зрения русской грамматики фамилия Натанзон склоняется как существительное мужского рода (Натанзона, Натанзону), но в женском варианте остаётся неизменяемой (Анна Натанзон). В современной России фамилия встречается нечасто, но её носители есть в среде потомков еврейских переселенцев из западных губерний и Прибалтики.