Фамилия Костеневкина — женская форма от Костеневкин, и её разбор стоит начать с неожиданного для слуха суффикса. В русских фамилиях часто встречаются -ов, -ев, -ин, а здесь мы видим редкую цепочку: корень «Костен-», суффикс «-евк-» и фамильный «-ин». Такая конструкция намекает на то, что предок получил прозвище не напрямую, а через прозвание или топоним, который уже превратили в фамилию.

Основа фамилии — «Костеневк(а)». Скорее всего, это прозвище или название человека, связанное с диалектным словом «костень» или «костенеть» — то есть твердеть, становиться жёстким, как кость. В говорах так могли назвать упрямого, несговорчивого человека или того, кто переносил трудности, «закалился». Суффикс «-евк-» в прозвищах встречается редко, но он возможен: например, «Костеневка» — человек, чья фамилия или прозвище произошло от деревни с названием Костенево или Костеневка. Такие топонимы существуют: есть село Костеневка в Тульской области, а также несколько населённых пунктов с корнем «Костен-» в центральной России. Житель такой деревни мог получить прозвание Костеневка, а его дети стали Костеневкиными.

Версия с прямым прозвищем от «костенеть» тоже имеет право на жизнь. В русских фамилиях типа «Костенев» или «Костеневский» корень явно указывает на кость или окостенение. Но именно суффикс «-евк-» делает эту фамилию уникальной: он не типичен для прямых прозвищ, а чаще встречается в фамилиях, образованных от названий сёл или рек. Поэтому наиболее правдоподобно, что Костеневкин — потомок человека из Костеневки, либо того, кого в шутку звали Костеневкой за характер.

Фамилия редкая, в массовых справочниках почти не встречается. По данным переписей, её носители сосредоточены в центральных областях России, особенно в Тульской и Рязанской губерниях, что совпадает с географией топонимов на Костен-. Это не дворянская фамилия — скорее крестьянская или мещанская, возникшая в XVIII–XIX веках, когда крестьянам массово давали фамилии по месту жительства или прозвищам.