Фамилия Валлерштейн — типичный пример топонимической фамилии, то есть образованной от названия места, где жил или откуда был родом её первый носитель. В основе лежит немецкий топоним Валлерштейн (Wallerstein) — так называется город в Баварии, на юго-западе Германии.

Название города, а вслед за ним и фамилию, принято разбирать на две основы. Первая часть — Wallare (древневерхненемецкое «паломник» или «странник»), вторая — Stein («камень»). Таким образом, исходное значение Валлерштейн — «камень паломника» или «скала странника». В средневековой Германии такие названия часто давали поселениям, возникавшим вдоль дорог паломников, у заметных скал или каменных ориентиров.

Модель образования фамилии проста: она перенесена на русского (или европейского) носителя без каких-либо суффиксов — в чистом виде, как немецкое географическое имя. Это отличает её от подавляющего большинства русских фамилий, которые оформлялись суффиксами -ов, -ин, -ский. Валлерштейн — фамилия немецкого происхождения, которая могла появиться в России вместе с переселенцами или обрусевшими немцами в XVIII–XIX веках.

Среди известных представителей — немецкий композитор, скрипач и пианист Антон Валлерштейн (1813–1892). Его творчество связано с романтической традицией, и сама фамилия в этом контексте звучит как характерная для музыкальных династий Центральной Европы.

В русском языке фамилия сохраняет немецкое написание и произношение, не адаптируясь под славянские модели. Это указывает на относительно позднее и, вероятно, единичное закрепление в российской среде — скорее всего, через дворянские или интеллигентские круги, где немецкие фамилии не русифицировали.