Фамилия Ненилкина — женская форма, мужской вариант — Ненилкин. В её основе лежит имя или прозвище Ненилка. Это разговорная, уменьшительная форма от крестильного имени Неонил (от греческого «неос» — новый, молодой). Церковное имя Неонил было редким, поэтому и образованные от него фамилии встречаются нечасто. В народе имя быстро сократили до Ненил, а затем добавили суффикс субъективной оценки -к(а), получив Ненилка — так в быту называли ребёнка или взрослого человека, носившего полное имя.

Суффикс -ин в фамилии указывает на принадлежность: «чей?» — Ненилкин, то есть сын или потомок Ненилки. Это типичная модель для русских фамилий, образованных от имён и прозвищ, оканчивающихся на -а или -я. Таким образом, Ненилкин — относительно молодая по происхождению фамилия, возникшая не раньше XVI–XVII веков, когда в обиход вошли патронимы на -ин.

Поскольку имя Неонил было не слишком популярным, фамилия Ненилкин никогда не была массовой. Встречается она преимущественно в центральных регионах России — в Тверской, Ярославской, Владимирской областях, где лучше сохранились старые, нестандартные именословы. Предки носителей этой фамилии, скорее всего, были крестьянами или посадскими людьми — фамилии на -ин у дворян встречаются, но реже, и обычно от более известных имён.

Любопытная деталь: в некоторых говорах имя Ненил могло закрепиться как прозвище для человека с «новым», необычным поведением, но это скорее народная этимология. Основное происхождение — церковное, хотя само имя Неонил в святцах редкое, что делает фамилию Ненилкин ценной для генеалогов: она указывает на узкий круг предков, державшихся старой традиции именования.