Фамилия Витлинская — редкий пример географического прозвища, застывшего в женской форме. В отличие от большинства фамилий на -ский, которые образованы от названий населенных пунктов мужского рода (Витлин → Витлинский), здесь мы видим вариант, зафиксированный в исходном женском роде. Так бывало, если фамилию давали по материнской линии или если носительницей была женщина, а мужская форма просто не прижилась.

Основа фамилии — топоним Витлино или Витля. Такие названия встречаются в западных и южных регионах бывшей Речи Посполитой: несколько деревень Витлин (Witlin) есть в Польше и на западе Украины. Корень, скорее всего, славянский: от слова «вить» (извиваться, виться) или от личного имени Вит (сокращение от Витослав, Витольд). В первом случае прозвище могло относиться к извилистой речке или холмистой местности, во втором — к человеку по имени Вит, который владел этим местом.

Суффикс -ск- указывает на дворянское или шляхетское происхождение. В XVIII–XIX веках фамилии на -ский в Польше и на западе Российской империи часто носили мелкопоместные дворяне, владевшие небольшими имениями. Витлинские могли быть шляхтичами из Волынской или Подольской губерний, где такие фамилии встречались чаще всего. В крестьянской среде форма Витлинская почти не бытовала — там использовали бы Витлины, Витлинцевы или просто прозвища.

С точки зрения словообразования, фамилия Витлинская стоит в ряду таких же редких «женских» образований, как Ждановская, Тихвинская или Виленская. Они не указывают на пол носителя, а закрепились как фамильные прозвища целой семьи, где предок-женщина играла ключевую роль (например, вдова, владелица усадьбы). Однако более вероятно, что это просто вариант мужской фамилии Витлинский, который по документальной случайности закрепился за конкретной ветвью. В метрических книгах XIX века можно встретить обе формы рядом.

В современной России фамилия Витлинская остается редкой. По данным открытых телефонных справочников, большинство носительниц живут в Москве, Санкт-Петербурге и Ростовской области — вероятно, потомки тех, кто перебрался из западных губерний в советское время.