Фамилия Витальевна — редкий случай, когда отчество стало фамилией. В русской традиции фамилии на -овна и -евна почти не встречаются: они указывают на женское отчество, а не на родовое прозвище. Обычно такие формы закреплялись за детьми, рождёнными вне брака, или в семьях, где отчество матери играло роль фамилии из-за отсутствия у неё мужа. Таким образом, первый носитель фамилии Витальевна, скорее всего, был сыном или дочерью женщины по имени Виталия (или мужчины Виталий, если отчество перешло в фамилию через поколение).

Основа фамилии — мужское имя Виталий, от латинского vitalis — «жизненный», «полный жизни». В святцах это имя появилось благодаря раннехристианским мученикам, но в России до XX века оно было редким, чаще встречалось в монашеской среде. Массовое распространение имя получило только в советское время. Значит, фамилия Витальевна не могла возникнуть раньше середины XIX века, а скорее — в пореформенный период, когда крестьянам массово присваивали фамилии по отцу или матери.

Географически фамилия тяготеет к юго-западным и центральным губерниям России, где была сильна традиция «женских» фамилий (например, Марьин, Татьянин). Встречается она крайне редко: по данным современных телефонных справочников, носителей Витальевны — не более нескольких десятков по всей стране. Это объяснимо: чтобы отчество закрепилось как фамилия, нужна была особая ситуация — например, запись ребёнка на мать-одиночку в метрической книге.

С точки зрения словообразования, фамилия уникальна. Суффикс -евн- не образует фамилий в стандартной русской модели (обычно используются -ов, -ев, -ин, -ский). Это «окаменевшая» форма родительного падежа женского отчества. В быту такую фамилию часто воспринимают как отчество, из-за чего у носителей возникают бюрократические сложности: документы могут путать фамилию с отчеством.

Если сравнивать с однокоренными фамилиями — Виталиев, Виталин, Витальев — то Витальевна стоит особняком. Все они образованы от мужского имени, а Витальевна — от женского отчества, что подчёркивает её нестандартное происхождение. Вероятнее всего, предок-носитель этой фамилии был записан в ревизской сказке как «Иван Витальев сын», но по какой-то причине в документах закрепилась форма «Витальевна» — возможно, из-за ошибки писаря или местного диалекта, где путали падежи.