Фамилия Натомин образована от личного имени или прозвища Натома, и у её происхождения есть две основные версии. Первая связывает основу с глаголом «натомить», то есть «довести до усталости, изнурить». В старину такие мирские имена давали детям, появившимся на свет в результате трудных, долгих родов. Не исключено также, что имя Натома выполняло «охранительную» функцию и служило оберегом: по древнему обычаю, чтобы отвратить злые силы и надеясь вырастить красивого и здорового мальчика, родители нарекали его Натомой.

Вторая версия выводит прозвище Натома из гидронима Томь — реки в Сибири. В этом случае буквальное значение — «живущий на Томи». Название реки, вероятно, ведёт начало от кетского слова «тоом» — «река, вода». Если следовать этой гипотезе, родоначальник Натоминых мог родиться на берегу сибирской реки.

Суффикс -ин указывает на типичную русскую модель притяжательных фамилий: он отвечает на вопрос «чей?» и образует фамилии от основ на -а, -я. Так потомок человека по имени Натома со временем стал Натоминым. Какая из версий правдоподобнее — сказать трудно. Имена-обереги с «отрицательной» семантикой (вроде Ненаш, Некрас, Натома) были широко распространены в дохристианской традиции, и глагольная основа здесь выглядит органично. Гидронимическая версия возможна, но она требует допущения, что форма Натома возникла как усечение от «на Томи», что менее типично для прозвищ. Скорее всего, перед нами именно охранительное имя, а фамилия Натомин сохранила память о нём.