Фамилия Натылёва — нечастая и неочевидная по смыслу. Её основа заставляет задуматься: что такое «натыл»? В русских говорах «натыл» или «натылок» — это затылок, задняя часть головы. Слово образовано от «тыл» (задняя сторона) с приставкой «на-». Прозвище Натыл или Натылок могли дать человеку с заметной особенностью в этой части тела — например, с крупным затылком, привычкой ходить, задрав голову, или с какой-нибудь приметой на затылке.

Суффикс -ёв- в фамилии Натылёв (женская форма Натылёва) указывает на типичную русскую модель образования от прозвищ и имён, оканчивающихся на твёрдый согласный: Натыл → Натылёв, как Орёл → Орлов, Козёл → Козлов. Ударение в фамилии, скорее всего, падает на последний слог — Натылёва, что согласуется с произношением исходного прозвища в некоторых говорах.

Географию фамилии можно связать с северными и центральными областями России, где слово «натылок» было в ходу. Встречается она и на Урале, но везде — редко. Родовое гнездо, вероятно, находилось в среде крестьян или посадских людей: прозвища по частям тела (Лоб, Щека, Губа) давали по внешности, без сословной привязки.

Сравнение с однокоренными фамилиями — Тылов, Затылкин, Натынкин — показывает, что все они образованы от одного корня «тыл», но с разными приставками и суффиксами. Натылёва стоит здесь особняком: в ней сохранилась редкая приставочная форма, которая не перешла в обиходную речь, а закрепилась только в фамильном прозвище. Это делает её интересным примером того, как диалектное слово может «законсервироваться» в фамилии на века.