Фамилия Немчанинова — женская форма фамилии Немчанинов, и в её основе лежит географическое или этническое прозвище. Корень «немч-» в древнерусском языке обозначал иностранца, прежде всего из Западной Европы (от слова «немой» — тот, кто не говорит по-русски, чья речь непонятна). Однако в данном случае речь идёт не о прямом указании на национальность, а о топонимическом прозвище: Немчанином называли выходца из местности, носившей название Немча или Немцы, либо человека, долго жившего среди «немцев» и перенявшего их черты.

Словообразовательная модель типична для русских фамилий XVI–XVII веков: основа «Немчанин» (житель или уроженец некоего места) плюс притяжательный суффикс «-ов». Суффикс «-анин» (в родительном падеже «-анина») указывал на принадлежность к определённой группе или местности. Таким образом, Немчанинов — буквально «сын Немчанина» или «потомок того, кого звали Немчанином». Женская форма Немчанинова закрепилась в документах как указание на жену или дочь Немчанинова.

География фамилии тяготеет к северным и центральным регионам России. В писцовых книгах XVI–XVII веков встречаются крестьяне и посадские люди с прозвищем Немчанин — например, в Вятском крае и на Урале, где оседали выходцы из западных земель. Интересно, что в некоторых говорах «немчанин» могло означать не только иностранца, но и переселенца из другого уезда, «чужого». Поэтому предки Немчаниновых не обязательно имели иноземные корни: прозвище могло закрепиться за человеком, который пришёл «из немцев» — то есть из другого села или волости.

Сравнение с однокоренными фамилиями (Немцов, Немчинов, Немчанинов) показывает, что Немчанинова — одна из самых редких форм. Если Немцовых много по всей России, то Немчаниновы встречаются локально, чаще в старых записях по Владимирской и Костромской губерниям. Это может говорить о том, что фамилия образовалась от конкретного топонима, который со временем исчез с карты, а не от широко распространённого прозвища.

Версия о происхождении от личного имени Немча (уменьшительное от Немец) маловероятна: суффикс «-анин» не характерен для уменьшительных форм. Поэтому основная гипотеза — прозвище по месту выхода или по образу жизни. Точная дата первого упоминания фамилии не установлена, но по типу образования она относится к позднему средневековью, когда в русских фамилиях активно закреплялись указания на «чужаков».