Фамилия Покатайкин — редкий случай, когда в основе лежит глагол, причём не в повелительном наклонении (как в фамилиях Держикрай, Убейвовк), а в форме инфинитива. Корень «покатай» от глагола «катать» с приставкой «по-» указывает на действие: «покатать», «покатай». Суффикс «-кин» типичен для русских фамилий, образованных от прозвищ или имён, оканчивающихся на «-ка» или «-а»: Покатайка → Покатайкин.

Самая вероятная версия происхождения — прозвище Покатайка, которое могли дать человеку, любившему кататься (на санях, лошадях) или катать других. В крестьянской среде такое прозвище могло закрепиться за возницей, ямщиком, либо за тем, кто катал бревна, бочки или другие тяжести. В говорах «катать» имело и переносный смысл — «ехать быстро, лихо», так что Покатайка мог быть человеком бойким, непоседливым.

Менее распространённая, но возможная версия — связь с диалектным словом «покатайка» в значении «каток» (приспособление для утрамбовки земли или для катания белья). В таком случае фамилия могла указывать на ремесло: предок делал катки или работал с ними.

Фамилия очень редкая. По данным переписей и телефонных справочников, основная часть носителей сосредоточена в Поволжье и на Урале — в Самарской, Оренбургской областях, в Башкортостане. Это косвенно подтверждает связь с промыслом ямщиков или с солевозным делом, которое было развито в тех краях.

Однокоренные фамилии — Катаев, Катайкин, Покатаев — построены по той же модели, но Покатайкин выделяется суффиксом «-кин», который чаще встречается в северных и центральных регионах России, что говорит о возможном смешении диалектных традиций при миграции предков.