Фамилия Аренштейн начинается не с человека, а с места. Её буквальное значение — «орлиный камень», от двух немецких основ: «Aar» (устаревшее, поэтическое название орла, особенно в южнонемецких диалектах) и «Stein» (камень). В средневековой Германии так могли назвать владельца замка на скале, постоялый двор на возвышенности или просто человека, жившего у скалы, где гнездились орлы.

Словообразовательная модель типично немецкая: корень + суффикс «-штейн». В немецкой ономастике этот суффикс указывает на топографический признак — камень, скалу, гору. В отличие от славянских фамилий, где суффиксы (-ов, -ин, -ский) привязывают к роду или отцу, немецкие фамилии на «-штейн» часто закреплялись за конкретным домом или участком земли, становясь прозвищем семьи.

В России фамилия не массовая. Она относится к числу фамилий немецких колонистов, переселявшихся в империю по приглашению Екатерины II в XVIII–XIX веках. Носители оседали в Поволжье, Причерноморье и на Волыни. В документах встречается вариант написания «Аренштайн» — транслитерация с немецкого «Arenstein» или «Ahrstein», где «Ahr» — диалектная форма того же «Aar». В дореволюционных метрических книгах фамилию иногда записывали через «ять» или с двойной «н» — попытки адаптировать немецкое звучание к русской графике.

Среди однокоренных фамилий — Арендт (от «Aar» — орёл) и Штейн (камень). Но Аренштейн стоит особняком: в ней слились два конкретных образа — хищная птица и твёрдая порода. Вероятнее всего, предки носителей были не дворянами, а ремесленниками, крестьянами или мещанами немецкого происхождения. Встречаются упоминания об Аренштейнах — владельцах небольших кирпичных заводов и мельниц в немецких колониях.

Еврейская версия происхождения фамилии маловероятна. Хотя «Арен» может ассоциироваться с идишским «арон» (ковчег), сочетание с «штейн» в еврейской ономастике нехарактерно и не фиксируется словарями еврейских фамилий.