Фамилия Поталиченко образована по распространённой на востоке Украины модели с суффиксом -енко, который исторически означал «сын» или «потомок». В основе лежит личное имя или прозвище Поталик, а оно, скорее всего, является производной формой от крестильного имени Потап (каноническая форма — Патапий). Уменьшительно-ласкательные варианты вроде Поталя, Поталик были обычны в украинской и южнорусской среде: так называли младшего члена семьи или просто человека в быту.

Менее вероятна, но возможна связь с диалектным словом «поталь» (фольга, тонкий листовой металл). В некоторых говорах так называли блестящую мишуру или дешёвое украшение, и прозвище Поталик могли дать ремесленнику, работавшему с фольгой, или человеку, любившему носить яркие побрякушки. Однако имя Потап как исходная точка встречается в документах гораздо чаще, чем любое ремесленное прозвище от «потали».

Фамилия тяготеет к центральным и восточным областям Украины — Полтавщине, Черкащине, Днепропетровщине. Именно там суффикс -енко был основным способом оформления фамилий у казаков и крестьян, и там же имя Потап было особенно популярно. В российских переписях фамилия встречается реже, обычно как следствие переселений в XIX–XX веках.

С точки зрения словообразования интересен промежуточный суффикс -ич-: Поталиченко, а не Поталенко. Форма на -ич- (ср. Иванович, Петрович) здесь не отчество, а скорее остаток старой модели, когда к основе на -ик добавляли -енко, чтобы подчеркнуть принадлежность: Поталик → Поталиченко. Это делает фамилию чуть более архаичной по сравнению с массой фамилий на -енко без такого вставного элемента.

Сословная принадлежность первых носителей — почти наверняка крестьянство или казачество. Дворянских родов с такой фамилией не зафиксировано, что типично для фамилий на -енко, которые редко попадали в гербовники. В современной России и Украине Поталиченко остаётся фамилией редкой, но устойчивой — её носители живут как в сёлах, так и в городах, нередко сохраняя написание через «и» в первом слоге.