Фамилия Витлугина — вариант женской формы фамилии Витлугин, а её основа, скорее всего, связана с географическим названием, а не с личным именем или прозвищем. В русской ономастике фамилии, оканчивающиеся на -ин, традиционно образуются от слов, заканчивающихся на -а или -я. В данном случае корень «Витлуг» — это почти наверняка искажённое или диалектное название реки Ветлуги.

Ветлуга — крупный приток Волги, протекающий по территории Костромской, Кировской, Нижегородской областей и Марий Эл. В старину жителей по берегам этой реки называли «ветлужанами» или «ветлугаями», а выходца оттуда могли прозвать Ветлугой. Однако в говорах, особенно в северных и волжских, начальное «е» нередко переходило в «и» («ветер» — «витер»), а также могло произноситься как «ё». Так Ветлуга превращалось в Витлугу. Подтверждение этому — существование однокоренных фамилий Ветлугин и Витлугин, которые встречаются в одних и тех же регионах Поволжья.

Менее вероятная, но возможная версия связывает фамилию с диалектным словом «витлуга» — так в некоторых областях называли извилистую речку или овраг (от «вить», «виться»). В этом случае прозвище мог получить человек, живший у такого извилистого ручья. Но первая версия — от гидронима Ветлуга — поддерживается тем, что фамилия Витлугин встречается в документах XIX века именно в Нижегородской и Костромской губерниях, то есть в зоне исторического расселения ветлужских крестьян.

Таким образом, предок носительницы фамилии Витлугина с высокой долей вероятности был выходцем с берегов Ветлуги, и его прозвище закрепилось за потомками в форме притяжательного прилагательного. Это типичная «географическая» фамилия, каких много в русском языке (Москвин, Тверитинов, Волгин).