Фамилия Антонина — один из тех редких случаев в русской ономастике, когда родовое имя пошло не от отца, а от матери. В русской традиции фамилии в массе своей образовывали от мужских имён (Иванов, Петров), и обратный процесс хоть и существовал, но был не столь массовым. Здесь же основа — крестильное женское имя Антонина, женская форма мужского имени Антон (Антоний). Восходит оно к римскому родовому имени Antonius, которое, по одной из версий, означает «вступающий в бой», «состязающийся».

Суффикс -ин в фамилии указывает на принадлежность: «чей?» — Антонинин. Со временем окончание стянулось, и фамилия закрепилась в форме Антонина. Такая модель образования характерна для фамилий, произошедших от имён или прозвищ, оканчивающихся на -а, -я. В данном случае основа — имя матери или жены, что может говорить о внебрачном происхождении ребёнка (когда отчество давали по матери) либо о том, что в семье главенствовала женщина, и её имя стало родовым.

В документах XVII–XVIII веков встречаются записи вроде «Ивашка Антонин сын», где «Антонин» — притяжательное прилагательное от имени Антонина. Позже такие формы перешли в фамилии. Таким образом, предок носителя этой фамилии мог быть сыном женщины по имени Антонина, и это обстоятельство закрепилось в родовом имени.

Встречается фамилия преимущественно в центральных и южных регионах России, но везде крайне редко. Есть и омонимичная фамилия — украинская Антоніна, образованная по той же схеме, но с ударением на последний слог. В русском языке ударение обычно падает на второй слог: Анто́нина. Разница в ударении — единственное, что отличает эти фамилии на слух, хотя происхождение у них общее.