Фамилия Митренина образована от имени Митреня — так в народе называли Дмитрия. Христианское имя Димитрий пришло из греческого языка и переводится как «принадлежащий Деметре»: в античных мифах Деметра — богиня плодородия и земледелия. Уменьшительная форма Митреня возникла естественным путём: в разговорной речи начальное «д» отпало, а вторая часть имени сократилась, и получилось простое, привычное для крестьянского обихода прозвание.

Словообразовательная модель здесь проста и прозрачна. К основе Митрен- добавили суффикс -ин, который в русских фамилиях указывает на принадлежность: Митренина — это «дочь или жена Митрени». Такая модель типична для фамилий, которые закрепились в сёлах и посадах, где людей называли по отцу или главе семьи. Суффикс -ин чаще встречается у фамилий, образованных от имён и прозвищ с конечным -а или -я, и в этом смысле Митренина стоит в одном ряду с Фомиными, Кузьмиными или Никитиными.

Скорее всего, основатель рода Митрениных был человеком из простого сословия. На это указывает сама форма имени: уменьшительно-ласкательные варианты вроде Митреня, Митря или Митроха использовали в крестьянской и мещанской среде, тогда как в дворянских родах предпочитали полные церковные формы. Фамилия закрепилась за потомками, и со временем вопрос «чей ты?» — Митренин — превратился в наследственное родовое имя.

Интересно, что однокоренные фамилии Митрохин, Митряев, Митрофанов имеют ту же основу, но разные суффиксы и варианты произношения. Это говорит о том, что имя Дмитрий в народной среде дробилось на множество форм, и каждая из них дала жизнь отдельной фамилии. Митренина среди них — одна из самых редких: она встречается точечно, в основном в центральных и южных регионах России, но точной статистики по распространению не существует.

В написании фамилии нет спорных моментов: она пишется так, как слышится, и сохраняет суффикс -ин без изменений. В отличие от фамилий, которые при переписях «исправляли» на более благозвучные, Митренина осталась в той форме, в какой её зафиксировали в документах XIX века.