Фамилия Ватолин образована от прозвища Ватола. В основе лежит слово «ватола» — так в старину называли грубую ткань, рогожу или попону, которой укрывали возы. В народе даже сложили поговорку: «Не гляди на ватолу, а гляди под ватолу» — то есть не суди по внешности. Прозвище могло пристать к человеку по разным причинам. Иногда так называли плохого мастера, работающего спустя рукава. Но был и глагол «ватлать» — мямлить, говорить невнятно или молоть вздор. Значит, прозвище могло указывать и на характер: медлительного, нерешительного или пустословного человека.

Модель образования проста: к основе Ватол- добавили типичный русский суффикс принадлежности -ин, означающий «сын Ватолы» или «потомок Ватолы». Фамилия фиксируется в письменных источниках с XVI века. Степан Веселовский в своих трудах упоминает крестьянина Фильку Ватолу Смешкова (1498 год, Новгород), а также Ватолиных, живших в XVI веке в Кашине и Торжке. В 1615 году в Вологде отмечен Тороп Ватолин, а в 1545 году под Новгородом — крестьянин Ватолка. География ранних упоминаний охватывает северо-запад и центр России: новгородские и тверские земли, вологодский край.

Из известных носителей — Николай Анатольевич Ватолин, академик РАН и крупный учёный-металлург, автор фундаментальных работ по физико-химии металлургических процессов. Его фамилия — потомок того самого прозвища, которое семь веков назад дали человеку за внешность, манеру речи или неловкость в ремесле.