Фамилия Ольшин образована от имени или прозвища Ольша. В древнерусском языке «ольша» — то же, что «ольха», дерево. Прозвище Ольша могли дать человеку, жившему в ольховой роще, либо тому, кто занимался заготовкой или обработкой ольховой древесины — например, делал из неё уголь для кузниц или лёгкую посуду.

В основе фамилии лежит не календарное имя, а мирское прозвище по природному признаку. Такие прозвища были широко распространены в XV–XVII веках: человека называли по дереву, которое росло у его дома, или по роду занятий, связанному с этим деревом. Суффикс -ин указывает на принадлежность: Ольшин буквально значит «сын Ольши» или «из семьи Ольши». Это типичная модель для русских фамилий, образованных от основ на -а или -я: Ольша → Ольшин, как Кузьма → Кузьмин, Илья → Ильин.

Географически фамилия встречается в основном в центральных и северо-западных областях России, где ольха — обычное дерево. Встречается и в Беларуси, и на Украине, но с другим окончанием: Ольшин, а не Ольшенко или Ольшевский. Это указывает на то, что фамилия сформировалась в среде великорусского населения, где преобладал именно суффикс -ин, а не -ов или -ский.

Иногда Ольшина путают с фамилией Ольшанский, но это разные образования. Ольшанский — топонимическая фамилия от названия населённого пункта (Ольшанка, Ольшаны), а Ольшин — патронимическая, от личного прозвища. В дворянских родословных фамилия не засветилась — скорее всего, это фамилия крестьянская или посадская, закрепившаяся за простыми людьми в XVII–XVIII веках.

В словаре Б. Унбегауна «Русские фамилии» модель на -ин от основ на -а разбирается как одна из древнейших, но конкретного упоминания Ольшина у него нет — фамилия редкая, не попавшая в обобщающие справочники. Носителей её немного, и в основном они сосредоточены в Тверской, Псковской и Новгородской областях.