Фамилия Нестягина — женская форма фамилии Нестягин. Её основа — прозвище или мирское имя Нестяга. Это слово в русских говорах имело конкретное значение: «нестяга» — человек, который не тянет, не способен к долгой работе, ленив или слабосилен. Глагол «стягать» означал «тащить, волочить, напрягаться», отсюда и «стяга» — тот, кто тянет лямку. Приставка «не-» давала отрицание, и прозвище Нестяга закреплялось за человеком, которого считали нерадивым работником или медлительным.

Модель образования фамилии проста: к основе Нестяг- добавился суффикс -ин, указывающий на принадлежность («чей?» — Нестягин сын, Нестягина дочь). Это типичная патронимическая модель для северных и центральных областей России, где фамилии на -ин столь же распространены, как на -ов. Географически фамилия Нестягин (и Нестягина) встречается в основном в Поволжье и на Урале, особенно в Кировской области и Пермском крае — регионах, где сохранились архаичные говоры и прозвищные фамилии.

Есть и другая, менее вероятная версия: связь с диалектным «нестяг» — нечто негодное, хлам. В этом случае прозвище могло относиться к бедняку, у которого «ни кола, ни двора». Но ономастический принцип проще: прозвище по поведению или характеру, а не по имуществу, даёт более естественное объяснение. В словаре русских фамилий Б. Унбегауна подобные образования с отрицанием «не-» (Нехорошев, Некрасов) разбираются как прозвища, а не как описания бедности.

Сословная принадлежность предков Нестягиных — скорее всего, крестьяне или посадские люди. Фамилия не дворянская и не купеческая, её носители — простые люди, получившие прозвище в быту. В писцовых книгах XVI–XVII веков такие фамилии фиксировались редко, но в метрических книгах XIX века Нестягины встречаются, например, в Вятской губернии.