Фамилия Денисин образована по самой распространённой в русском языке патронимической модели — с суффиксом -ин. Это значит, что в её основе лежит имя или прозвище отца, а сам суффикс указывает на принадлежность: «чей сын?» — «Денисин», то есть сын Денисы.

Здесь сразу возникает вопрос: почему не «Денисов»? Ведь каноническое крестильное имя Денис (от древнегреческого Дионисий) даёт стандартную форму «Денисов». Фамилия Денисин — более редкий вариант, который мог появиться двумя путями. Первый: в некоторых говорах, особенно в северных и центральных областях России, патроним образовывали не от полной формы имени (Денис), а от разговорной или уменьшительной (Дениса, Денися). Второй, более простой: фамилия могла закрепиться за потомками человека, которого в быту звали не Денис, а Дениса (с окончанием -а, как женское имя, но в мужском просторечном варианте). Такие формы не редкость: ср. Никита — Никитин, Фома — Фомин, Кузьма — Кузьмин. Денис в этом ряду стоит особняком, но в устной речи форма «Дениса» вполне могла бытовать, особенно в среде, где имя склоняли по образцу «Влас — Власа».

В отличие от фамилии Денисов, которая встречается повсеместно и часто у дворян и купечества (через церковную форму), Денисин — фамилия более народная, крестьянская или мещанская. Она почти не встречается в старых родословных книгах, её нет в боярских списках. Ономастический словарь Б. Унбегауна относит такие формы на -ин к разряду типично русских, но подчёркивает, что они образуются от основ на -а/-я. Основа «Денис» на согласный — исключение, и именно это исключение делает фамилию Денисин ценной для историка языка: она сохранила след живой, нелитературной речи, где имя могли «акать» или «якать» в звательной форме.

Географически фамилия тяготеет к центральным и южнорусским областям, но не имеет ярко выраженного ареала. Встречается реже, чем Денисов, примерно в десять раз. Поскольку суффикс -ин в русских фамилиях считается более древним, чем -ов (он восходит к древнерусским притяжательным прилагательным), можно предположить, что Денисин — один из ранних патронимов, застывших в письменности ещё в XV–XVI веках, когда имя Денис только входило в обиход, а его формы ещё не устоялись.