Фамилия Летвиненко — это почти наверняка вариант более распространённой фамилии Литвиненко, изменившийся под влиянием местных говоров или из-за ошибки в записи. Исходная форма, Литвиненко, образована от прозвища Литвин. Так в старину называли не только жителей Великого княжества Литовского, но и белорусов, которые до конца XVIII века жили в составе Литовского, а затем Польско-Литовского государства. Прозвище было настолько распространено, что его носили даже князья: например, князь Семён Михайлович Литвин Мосальский (конец XV века), от которого пошли Литвиновы-Мосальские.

Суффикс -енко (в исходной форме фамилии) типичен для украинской и южнорусской ономастики: он указывает на потомка, сына или ученика человека с таким прозвищем. То есть Литвиненко — это «сын Литвина», а Летвиненко — та же фамилия, но с заменой корневого «и» на «е» (явление, известное как «еканье» или аканье в белорусских и североукраинских говорах). Встречаются и другие варианты написания: Литвинёнко, Лятвиненко.

Менее вероятная версия связывает фамилию с болгарским словом «летва» — «рейка, планка». Тогда прозвище могли дать высокому и худощавому человеку, похожему на жердь. Однако эта гипотеза слабая: во-первых, суффикс -енко нехарактерен для болгарских фамилий (там чаще встречаются -ов, -ев, -ски), во-вторых, массовое бытование фамилии именно на восточнославянских территориях говорит в пользу «литовской» версии. Так что, скорее всего, предки носителя фамилии Летвиненко были выходцами с территории современной Беларуси или Украины, которых окружающие называли литвинами.