Фамилия Двойников образована от прозвища Двойник. В основе лежит глагол «двоить» с несколькими значениями. Чаще всего Двойником называли человека, который был внешне очень похож на кого-то другого — буквально двойник. Прозвище могли дать и ребёнку, родившемуся вторым в семье, или близнецу. Реже так называли крестьянина, обрабатывавшего землю в две смены (двоить пашню), или того, кто делал двойную работу. Потомок человека с прозвищем Двойник со временем получил фамилию Двойников.

По своей словообразовательной модели фамилия типична для русского севера и центральных областей. Суффикс -ов указывает на принадлежность: «чей сын?» — Двойников, то есть сын Двойника. Это одна из самых распространённых моделей русских фамилий, но здесь она прикреплена к редкой основе — прозвищу, а не крестильному имени.

Интересная деталь: в старых писцовых книгах встречается не только прозвище Двойник, но и фамилия Двойников в форме Двойниковъ — через «ижицу» или просто с твёрдым знаком на конце. В некоторых говорах фамилию произносили с ударением на первый слог, что может указывать на локальный вариант: не «Двойнико́в», а «Дво́йников».

Редкая альтернативная версия связывает фамилию с прозвищем от слова «двойня» — так могли назвать близнеца или ребёнка, родившегося вместе с другим. Но эта гипотеза менее вероятна: в русской ономастике слова «двойник» и «двойня» давали разные прозвища, и форма Двойников тянется именно к первому.

В архивных записях фамилия встречается с XVII века, преимущественно среди крестьян и посадских людей. Сословной привязки нет: Двойниковы могли быть и крепостными, и мещанами, и купцами — прозвище не несло социальной окраски.