Фамилия Варламкина — это женская форма, а её мужской вариант — Варламкин. В основе лежит редкое имя Варламка, которое в свою очередь является производной формой от крестильного имени Варлаам. Имя Варлаам пришло на Русь из греческого языка, а в основе, предположительно, лежит арамейское слово со значением «сын народа». В святцах почитается преподобный Варлаам Хутынский, новгородский чудотворец XII века.

Фамилию образовали по стандартной патронимической модели с суффиксом -ин. Суффикс указывает на принадлежность: Варламкин — значит «сын Варламки». Форма Варламка (с уменьшительным суффиксом -к-) в быту была распространена шире, чем полное церковное имя, особенно в крестьянской и посадской среде. Поэтому фамилии на -ин от таких обиходных форм встречаются чаще, чем от канонических.

Географически фамилия Варламкина тяготеет к северным и центральным регионам России. В переписных книгах XVII века встречаются крестьяне и посадские люди с этим именем в Вологодском, Костромском и Архангельском уездах. В отличие от дворянских фамилий, Варламкины почти наверняка принадлежали к податным сословиям — крестьянам или мещанам. Фамилия редкая: в современных справочниках она фиксируется единичными случаями, в основном в Поволжье и на Урале, куда переселялись крестьяне из северных губерний.

У фамилии есть однокоренные «родственники» — Варламов, Варлашкин, Варлашин. Все они восходят к тому же корню Варлам-, но различаются суффиксами. Варламкина — самая «короткая» форма, указывающая на конкретное уменьшительное имя, а не на прозвище или отчество от полного имени. Это типичный случай, когда народная речь закрепила в фамилии ласкательный или бытовой вариант, который со временем стал официальным родовым именем.