Фамилия Ненастина образована по самой распространённой в русской ономастике модели — с помощью суффикса -ин, который указывает на принадлежность: Ненастин — сын Ненасти, а Ненастина — дочь или жена Ненастина. Исходное мужское прозвище или нецерковное имя — Ненастя. В основе лежит слово «ненастье», то есть дождливая, пасмурная, холодная погода.

Смысл прозвища мог быть разным. Самое очевидное объяснение: прозвище Ненастя дали человеку угрюмого, хмурого нрава, который постоянно был «как туча». Однако в русских говорах у слова «ненастье» были и переносные значения — беда, несчастье, лихо. Поэтому Ненастей могли назвать ребёнка, родившегося в трудное для семьи время, или, наоборот, с обережной целью: чтобы злые силы не позарились на того, кого назвали «плохой погодой». Такая охранительная практика была широко распространена в дохристианской Руси.

Географически фамилия Ненастин (и её женская форма Ненастина) встречается не повсеместно. Основные очаги — северные и центральные регионы России, особенно Вологодская, Архангельская и Кировская области, где слово «ненастье» в диалектах было особенно употребительным. Встречается она и на Урале, куда переселенцы принесли её с севера.

Фамилия Ненастина, как и Ненастин, не относится к аристократическим. Её носителями были крестьяне и посадские люди. В документах XVII–XVIII веков встречаются крестьяне с таким прозвищем в Вологодском и Тотемском уездах. Прозвище могло закрепиться и за человеком, который занимался предсказанием погоды или, по местному поверью, имел власть над стихией, но это лишь гипотеза без прямых документальных подтверждений.

У фамилии есть однокоренные «родственники»: Ненашев (от «ненаш» — чужой), Негодяев, Некрасов. Все они объединены общей моделью образования от прозвищ с отрицательной приставкой не-. Но в отличие от них, Ненастина напрямую связана с природным явлением, что делает её значение прозрачным даже для современного носителя русского языка.