Фамилия Тимлина образована по одной из самых распространённых в русской ономастике моделей — с суффиксом -ин, который указывает на принадлежность: «чей?» — Тимлин, то есть сын или потомок Тимы. Основа здесь — краткая форма одного из крестильных имён: Тимофей (греч. «почитающий Бога») или Тимон (греч. «честящий»). В русском быту эти имена давали множество уменьшительных вариантов: Тима, Тимка, Тимоха, Тимша. От них и пошли фамилии Тимохин, Тимков, Тимшин — и Тимлин.

Суффикс -л- в основе Тимл- встречается реже, чем привычные -к- или -ш-. Он мог возникнуть в диалектной среде: в некоторых говорах уменьшительные имена образовывали с помощью -л- (ср. Тимля, Тимлушка). Либо это результат фонетического сдвига: Тима → Тимля (с добавлением -л- как в «земля» от «земь»). В любом случае, фамилия Тимлина (женская форма) и Тимлин (мужская) — патроним, то есть «дочь или жена Тимлы», а исходное прозвище Тимла означало человека, которого в семье или в деревне звали сокращённо от Тимофея.

Географически фамилия тяготеет к центральным и северным областям России: встречается в Вологодской, Костромской, Нижегородской губерниях, а также на Урале. В переписных книгах XVII века можно найти крестьян и посадских людей с прозвищем Тимля или Тимло — чаще всего это были свободные земледельцы или ремесленники, не принадлежавшие к дворянству. В дворянских родословных Тимлины не значатся, что подтверждает народное, «мужицкое» происхождение фамилии.

Отдельного внимания заслуживает написание: в старых документах встречаются варианты Тимлинъ, Тимлина, реже Тимлинов. Двойное «н» в современной форме Тимлина — следствие орфографической нормы XIX века, когда суффикс -ин в женском роде стали писать с одним «н», но в некоторых регионах удерживалось двойное написание по аналогии с прилагательными (ср. «длинный»). Однако это не меняет сути: корень остаётся тем же.

Если сравнивать с однокоренными фамилиями — Тимофеев, Тимков, Тимченко, Тимонькин — Тимлина стоит особняком именно из-за редкого суффиксального элемента -л-. Это говорит о том, что предок носителя фамилии жил в местности, где говорили на особенном говоре, или же его прозвище закрепилось в узком семейном кругу и не было вытеснено более частотными формами.