Фамилия Гагарина напрямую связана с прозвищем Гагара, которое давали предку. Слово «гагара» в русском языке обозначает крупную водоплавающую птицу, обычно чёрного цвета. Отсюда первое возможное значение прозвища — смуглый, чернявый человек. Но есть и другая версия: крик гагары напоминает раскатистый хохот, поэтому прозвище могло закрепиться за весельчаком или хохотуном. Так что носитель фамилии мог унаследовать её от предка с тёмной кожей либо от балагура и заводилы.

Суффикс -ин указывает на принадлежность: Гагарина — буквально «дочь или жена Гагары». По модели образования это типичная русская фамилия, возникшая в среде крестьян и посадских людей, где прозвища часто переходили в фамилии без изменений. В отличие от фамилий на -ов/-ев, которые образуются от имён или прозвищ на согласный, форма на -ин свойственна основам на -а/-я.

Важный нюанс: фамилия Гагарин (и её женская форма Гагарина) не имеет отношения к географическому названию. Вопреки возможным ассоциациям, она не происходит от города или реки. Это чисто прозвищная фамилия, и в основе лежит именно птица, а не топоним.

Встречается фамилия в разных регионах, но особенно часто — на Русском Севере: в Архангельской, Вологодской областях, где гагара — обычная птица. Там прозвище могло закрепиться за охотниками или рыбаками, либо просто за людьми, имевшими внешнее сходство с птицей. В центральных и южных областях фамилия тоже бытует, но реже.

Словарь Б. Унбегауна относит фамилию к группе «птичьих» прозвищ, которые в русской ономастике одни из самых распространённых. Но в отличие от фамилий Соколов или Орлов, Гагарин не получил дворянского статуса и оставался фамилией простых людей вплоть до XX века.