Фамилия Неонилина образована от женского имени Неонила, и это сразу многое говорит о её происхождении. В отличие от распространённых «патронимических» фамилий, которые создавались от имён отца, здесь в основе лежит имя матери. Такая модель встречается реже и обычно указывает на то, что женщина играла заметную роль в семье или была главой дома на момент закрепления прозвища за детьми.

Имя Неонила пришло из греческого языка и переводится как «молодая, новая». За этим именем стоит и христианская история: святая Неонила вместе с мужем Терентием и семью детьми приняла мученическую смерть за веру в середине III века, в царствование императора Декия (249–250 годы). Семья отказалась отречься от Христа и поклониться идолам, за что их подвергли жестоким пыткам и обезглавили. Память об этой стойкости, вероятно, и делала имя популярным среди верующих, а значит, и фамилия, от него образованная, могла появиться в разных, не связанных между собой родах.

Суффикс -ин в фамилии указывает на принадлежность: Неонилина буквально означает «дочь Неонилы» или «из семьи Неонилы». Это типичная русская модель, аналогичная фамилиям типа Марьин или Татьянин. Однако ударение и произношение могут различаться, и в разговорной речи фамилия нередко искажалась: в документах встречаются варианты Неонилов, Неонильин, а иногда и более простые формы, где корень менялся до неузнаваемости.

Точное место и время возникновения рода Неонилиных назвать сложно. Фамилии на -ин активно формировались в России с XVI по XVIII век, но процесс этот шёл неравномерно: где-то крестьяне получали фамилии только к концу XIX века. Поэтому без генеалогических изысканий нельзя утверждать, была ли фамилия единичной, возникшей в одном селе, или же она появлялась независимо в разных регионах. Скорее всего, носителей Неонилиных немного, и каждая ветвь рода хранит свою отдельную историю, которую можно проследить только по архивным документам.