Фамилия Звездочкина образована от прозвища или нецерковного имени Звёздочка — ласкательной формы от слова «звезда». В русской ономастике такие уменьшительные имена (Звёздочка, Солнышко, Месяц) давали детям в семьях, где хотели подчеркнуть красоту, редкость или «светлый» характер ребёнка. По другой версии, прозвище мог получить человек с заметной родинкой на лице — в народе такие отметины называли «звёздочками». Третья, менее вероятная гипотеза связывает фамилию с названием ремесла: в некоторых говорах «звездочник» — мастер, делавший звёздчатые украшения или вышивавший орнаменты, но эта версия не подкреплена устойчивой лексикой.

Суффикс -ин указывает на принадлежность: Звездочкин — «сын Звёздочки» или «из семьи Звёздочкиных». Такая модель типична для русских фамилий, образованных от имён и прозвищ, оканчивающихся на -а/-я. Ударение в фамилии чаще всего падает на первый слог: Звёздочкина, хотя в ряде регионов встречается вариант с ударением на втором слоге.

Интересно, что фамилия Звездочкин (и её женская форма) встречается в основном в центральных и северных областях России — в Ярославской, Вологодской, Костромской губерниях. В этих местах была распространена традиция давать детям «небесные» прозвища, что подтверждают и другие фамилии того же ряда: Месяцев, Солнцев, Зарянкин. В XIX веке носители фамилии преимущественно принадлежали к крестьянскому и мещанскому сословиям, среди дворян Звездочкины почти не встречаются.

В современной России фамилия не слишком распространена, но её носители есть в разных регионах. Сравнение с однокоренными фамилиями (Звездин, Звездунов, Звездкин) показывает, что Звездочкина — одна из немногих, сохранивших уменьшительно-ласкательную форму основы, что делает её звучание более «домашним» и личным.