Фамилия Никольшин образована от имени Никольша — просторечной, «домашней» формы церковного имени Николай. В русской ономастике суффикс -ш(а) встречается нечасто, но он хорошо заметен в уменьшительных вариантах: Миша, Паша, Гриша, Тимоша. Никольша — то же по модели, но с основой Николь- (от Николай). Такая форма бытовала в крестьянской и мещанской среде, где полное имя заменяли коротким, удобным в обиходе. Фамилия, соответственно, значит «сын Никольши» или «потомок Никольши».

Суффикс -ин указывает на принадлежность: чей? — Никольшин. Это типичная русская модель для фамилий, образованных от личных имён и прозвищ на -а/-я (ср. Ильин, Фомин, Кузьмин). В отличие от фамилий на -ов/-ев, которые чаще давали от имён на твёрдый согласный, -ин закреплялся за основами, оканчивающимися на мягкий или шипящий звук. Никольша даёт именно такой случай.

Географически фамилия редкая, её очаги — центральные и северные области России, где имя Николай было особенно популярно. Встречается также в Поволжье, но единично. Сословная принадлежность носителей — почти всегда крестьяне или мещане, так как в дворянской среде предпочитали более книжные формы фамилий (Никольский, Николаев).

Интересная деталь: в дореволюционных метрических книгах иногда писали «Никольшин» через «е» — «Никольшен», что отражает акающее произношение (как слышалось, так и записывали). Но основной вариант закрепился с буквой «и». Фамилия не имеет отношения к географическому названию Никольское — это параллельная, но самостоятельная линия образования. Корень здесь не топонимический, а личный, что и делает Никольшиных прямыми потомками человека по имени Никольша.