Фамилия Митюгина — женская форма фамилии Митюгин, и её происхождение напрямую связано с мужским личным именем или прозвищем Митюга. В основе лежит одна из народных, обиходных форм канонического имени Дмитрий. Если Дмитрий в быту превращался в Митю, то уменьшительно-ласкательный или пренебрежительный суффикс -юга давал форму Митюга. Такие суффиксы в русских говорах часто придавали имени оттенок просторечия или указывали на крупного, рослого человека (ср. «зверюга», «ветрюга»). Таким образом, Митюгин — буквально «сын Митюги», то есть потомок человека, которого в округе звали уменьшительным именем Митюга.

Суффикс -ин в фамилии указывает на принадлежность: чей? — Митюгин. Эта модель типична для русских фамилий, образованных от основ на -а/-я. Географически фамилия Митюгин (и Митюгина) больше всего распространена в центральных и северных областях России, особенно в Вологодской, Архангельской и Кировской областях. Это косвенно подтверждает севернорусское происхождение суффикса -юга, который в южных говорах встречается реже.

В дореволюционных переписях и документах фамилия могла фиксироваться с разной орфографией: Митюгин, Митюгина (для женщин), реже — Митюгинъ. Вариант с «о» под ударением (Митюгин) — единственно верный, так как корень «Мит-» безударный. Родственные фамилии того же гнезда — Митюков, Митюшин, Митяев, Дмитриев. Отличие Митюгина в том, что её основа прошла через «огрубляющий» суффикс, что делает её одной из самых «деревенских» и колоритных производных от Дмитрия.

Сословной принадлежности у фамилии не было: Митюгины могли быть крестьянами, мещанами, реже — купцами. В святцах и дворянских родословных книгах эта фамилия не встречается, что лишний раз подчёркивает её народное, обиходное происхождение.