Фамилия Ротенштейн — из тех, что не оставляют сомнений в своём происхождении. Это чистая топонимическая фамилия, образованная по немецкой модели сложения двух основ: «ротен» (rot — красный) и «штайн» (Stein — камень). В буквальном переводе — «красный камень». Такую фамилию мог получить человек, живший у скалы или валуна красноватого цвета, либо выходец из населённого пункта с названием Ротенштайн. Таких мест в немецкоязычных землях несколько: например, замок Ротенштайн в Баден-Вюртемберге или городок Ротенштайн в Тюрингии.

Фамилия относится к типичным ашкеназским немецким фамилиям, которые еврейские семьи Центральной и Восточной Европы начали массово получать в конце XVIII — начале XIX века, когда империи Габсбургов, Пруссии и России ввели обязательные фамилии для еврейского населения. Часто такие фамилии давали чиновники произвольно, по названиям мест, цветам, драгоценным камням или природным объектам. «Красный камень» мог быть как указанием на место жительства, так и «кабинетной» фамилией, выбранной из стандартного набора красивых слов.

В России и СССР фамилия Ротенштейн встречается преимущественно у еврейского населения. Среди носителей были врачи, инженеры, музыканты — что отражает типичный социальный срез европейских евреев, получивших образование в XIX веке. Важно не путать её с похожей фамилией Ротенберг («красная гора») или Ротенфельд («красное поле»): у каждой своя основа, хотя логика образования одинакова.

Словообразовательная модель здесь проста: корень + корень, без суффиксов. Фамилия не склоняется по падежам как типичная русская, но в бытовой речи её часто адаптируют: «у Ротенштейна», «с Ротенштейном». Это одна из тех фамилий, по которой сразу читается география предков — скорее всего, юго-западные земли Германии или Австрия, откуда носители впоследствии мигрировали на восток.