Фамилия Орлатоя — редкая и с неочевидной этимологией. С первого взгляда она напоминает сложное слово с корнем «орл-» (от «орёл»), но суффиксальная часть «-атоя» нехарактерна для русских фамилий. В русской ономастике типичны окончания -ов, -ев, -ин, -ский, -их, -ых. Форма «-атоя» скорее напоминает модель, встречающуюся в тюркских или кавказских языках, где притяжательные прилагательные образуются с аффиксом -ат/-атой. Например, в кумыкском или ногайском языках фамилии на -атовы, -атовы распространены, но окончание «-оя» может быть результатом русификации тюркского «-ай» или «-уй».

Вероятнее всего, основа фамилии — тюркское прозвище или имя Орлат. Слово «орлат» могло означать «орлёнок» (от «орёл» в тюркских языках, ср. казахское «бүркіт» — орёл, но с другим корнем) или быть производным от «орла» — «место, где живут орлы». Возможна и связь с монгольским «оролт» — «вхождение, заход» (например, в значении «заходящее солнце»), но это менее вероятно. В любом случае, фамилия указывает на прозвище, данное человеку, возможно, за внешность (острый взгляд, хищный нос) или за характер (гордый, независимый).

Географически фамилия Орлатоя тяготеет к югу России, особенно к Ставропольскому краю, Калмыкии и Астраханской области, где исторически смешивались тюркские, монгольские и кавказские народы. Носители фамилии могли быть потомками ногайцев, кумыков или калмыков, принявших православие и получивших фамилию по отцу или по родовому прозвищу. В метрических книгах XIX века такие фамилии нередко записывали на слух, отсюда и необычное окончание «-оя» вместо более привычного «-ов» или «-ев».

Словообразовательная модель проста: основа «Орлат» + окончание «-оя», которое в русском языке воспринимается как окончание прилагательного женского рода (ср. «толстая»), но в данном случае закрепилось как фамилия без изменения по родам. Встречаются варианты написания: Орлатой, Орлатаев, Орлатов. Но форма «Орлатоя» самая редкая и, скорее всего, исходная для данной ветви рода.

Исследователь Б.О. Унбегаун в «Русских фамилиях» не упоминает эту фамилию, что подтверждает её нерусское происхождение и узкую региональную привязку. Если искать параллели, то фамилия Орлатоя стоит в одном ряду с такими редкими южнорусскими фамилиями, как Борлатой, Калмыкова, Торлатой. Никаких известных исторических личностей с этой фамилией не зафиксировано — это фамилия крестьянского или казачьего сословия, не попавшая в дворянские родословные книги.