Фамилия Ватолина образована от прозвища Ватола. В основе лежит нарицательное «ватола» — грубая ткань, изделие из неё. В народе говорили: «Не гляди на ватолу (которой воз покрыт), а гляди под ватолу», то есть не суди по внешности. Однако значение могло быть и иным. Существовал глагол «ватлать» — «мямлить, говорить вяло, невнятно», «пачкаться, мараться», «молоть пустяки, вздор». Так что прозвище могло указывать либо на род занятий (мастер, работающий с грубой тканью, или торговец ею), либо на особенности характера — неразговорчивость или привычку говорить вздор.

В исторических документах фамилия встречается с XV века. С. Б. Веселовский упоминает Фильку Ватолу Смешкова, крестьянина 1498 года из Новгорода. Отмечены Ватолины в XVI веке в Кашине и Торжке, а также Тороп Ватолин (1615 год, Вологда) и крестьянин Ватолка (1545 год, Новгород). Суффикс -ин указывает на принадлежность: «чей?» — сын Ватолы. Модель образования типична для русских фамилий от прозвищ или имён, оканчивающихся на -а/-я.

Среди известных носителей — Николай Анатольевич Ватолин, российский металлург, академик РАН, автор трудов по физико-химическим основам металлургических процессов. Его фамилия — яркий пример того, как бытовое прозвище предка стало родовым именем человека науки.

Разные варианты написания (Ватолин, Ватолина) — это просто родовые формы. Мужской вариант традиционно закрепился за линией по отцу, женский — за женщинами в роду.