Фамилия Витолин образована от имени Витоль — латышско-литовской формы греческого имени Виталий. В переводе с греческого оно означает «жизненный, живущий». Таким образом, предок носителя этой фамилии был человеком, которого звали Витоль, а его потомок со временем получил фамилию Витолин.

Словообразовательная модель проста и прозрачна: к основе Витол- добавился русский патронимический суффикс -ин, указывающий на принадлежность («чей?» — Витолин, то есть сын Витоля). Этот суффикс — один из самых распространённых в русских фамилиях, наряду с -ов/-ев. В отличие от фамилий на -ов, которые чаще образуются от основ на твёрдый согласный, -ин типичен для основ на -а/-я или мягкий согласный. Здесь же мы видим редкий случай: основа оканчивается на мягкий -ль, что и дало суффикс -ин.

Географически фамилия Витолин тяготеет к регионам, где исторически пересекались русское, латышское и литовское влияние — западные области России, Беларусь, Латвия и Литва. Имя Витоль (литов. Vytautas, латыш. Vītols) было достаточно популярно в Прибалтике, но в русской среде встречалось редко, поэтому фамилия остаётся немногочисленной.

Любопытно, что в латышском языке слово vītols означает «ива», «ветла». Хотя основная версия происхождения фамилии связывает её с именем Виталий, не исключено, что в отдельных случаях прозвище Витоль могло быть дано человеку по сходству с этим деревом — например, за стройность или гибкость. Однако имя Витоль в качестве антропонима встречается гораздо чаще, чем прозвище от названия дерева, поэтому версия с именем выглядит предпочтительнее.

Фамилия Витолин не принадлежала к дворянским или купеческим родам, известным по истории. В основном она бытовала в крестьянской и мещанской среде, что типично для фамилий, образованных от канонических имён в их народной, а не церковной форме.