Фамилия Двоенкин образована от прозвища Двойка или Двоенка. В русской ономастике суффикс -ин указывает на принадлежность: чей? — сын Двойки, то есть Двоенкин. Основой могло стать слово «двое» или «двойной», но в бытовых прозвищах XVII–XIX веков «Двойка» нередко означала не школьную отметку (тогда ещё не было единой балльной системы), а человека, который делал всё вдвойне: пахал двойную норму, работал за двоих, или же того, кто родился двойней. В некоторых говорах «двоенка» — это близнец, двойняшка. Таким образом, родоначальник Двоенкиных мог быть одним из двух братьев-близнецов, и прозвище закрепилось за ним, чтобы отличать от брата.

Менее вероятно, но не исключено, что прозвище связано с числом «два» в каком-либо социальном или военном контексте: например, солдат, служивший второй срок, или крестьянин, плативший двойной оброк. Однако именно связь с двойней — самая распространённая модель для фамилий подобного типа, сравните: Двойников, Двойнишников, Близнецов.

Фамилия редкая и географически не привязана к одной области. Встречается в Поволжье и на Урале, что типично для поздних крестьянских фамилий, образованных от прозвищ: там в XVIII–XIX веках активно шёл процесс закрепления фамилий за бывшими государственными и удельными крестьянами. Дворянских родов с такой фамилией нет — это однозначно простонародная основа.

С точки зрения словообразования, интересен двойной суффикс -енк-ин. Формант -енк- в русских фамилиях имеет уменьшительное или уничижительное значение (сравните: сынок — сыночек, но в фамилиях он часто нейтрален). Сочетание «Двоенка + -ин» даёт форму, которая могла возникнуть как патроним от прозвища на -ка: Двоенка → Двоенкин. В украинской традиции такие фамилии на -енко были бы оформлены иначе (Двоенко), но здесь мы видим чисто русскую модель, что подтверждает северное или центральное происхождение.