Фамилия Двойнишев — редкий случай, когда в основе лежит не имя и не ремесло, а порядковое числительное. Её ядро — «двойня», то есть двое детей, родившихся у одной матери одновременно. В старину двойняшек называли двойнишами, а отца такой пары — Двойнишем. Фамилия Двойнишев буквально означает «сын Двойниша» или «потомок того, кого прозвали Двойнишем».

Словообразовательная модель здесь классическая для русского севера и центра: прозвище на -иш (Двойниш) плюс притяжательный суффикс -ев. Суффикс -иш в прозвищах нередко имел уменьшительный или бытовой оттенок: Двойниш — не просто «двойня», а «двойняшка» в разговорном смысле. Интересно, что параллельно существовала форма Двойников — от «двойник», но Двойнишев образована именно от более редкого прозвища.

Географически фамилия тяготеет к Вологодской и Архангельской областям, а также к Вятке. В переписных книгах XVII века встречаются крестьяне с прозвищем Двойниш — обычно так звали отца двойнят, реже самого человека, родившегося в паре. Дворяне среди Двойнишевых не зафиксированы: это типичная крестьянская или посадская фамилия, возникшая в среде, где прозвище давали по заметной семейной примете.

Есть и альтернативная, менее вероятная версия: от диалектного глагола «двойничать» — работать вдвоём, быть в паре. Но в ономастике принято считать первичным родительское прозвище по детям, а не по способу работы. Словарь русских фамилий Б. Унбегауна относит такие образования к группе «прозвищ по родственным связям», что подтверждает основную гипотезу.

В современной России фамилия остаётся малочисленной — её носителей не больше нескольких сотен. Встречается она преимущественно в тех же регионах, где была записана триста лет назад, что говорит о слабой миграции рода.