Фамилия Нюнюй — редкий случай в русском ономастиконе. Она не вписывается в привычные модели образования: нет суффиксов -ов, -ин, -ский, нет окончания, типичного для русских фамилий. По сути, это застывшая форма прозвища или имени, которое не подверглось грамматической русификации. Скорее всего, перед нами фамилия, происходящая от диалектного или иноязычного слова, записанного на слух.

Самая вероятная версия связывает основу «нюн-» с глаголом «нюнить» или «нюнять», который в русских говорах (особенно северных и сибирских) означал «хныкать, плакать, ныть». «Нюня» — так в просторечии называли плаксивого, капризного человека, часто ребёнка. Прозвище Нюня или Нюняй мог получить тот, кто отличался обидчивостью или слезливостью. Удвоение «ню» в фамилии (Нюнюй) — характерная черта народной этимологии: прозвище могли повторять для усиления или в качестве ласкательно-уничижительной формы.

Словообразовательный разбор показывает, что фамилия могла возникнуть из прозвища Нюнюй (где «-юй» — либо диалектный суффиксальный элемент, либо искажённое окончание). Встречаются и однокоренные фамилии: Нюнин, Нюнькин, Нюняев, но Нюнюй стоит особняком — она не получила стандартного суффикса, что указывает на её более позднее закрепление или на фиксацию в документах именно в такой, «сырой» форме.

Нельзя исключать и тюркское влияние. В ряде тюркских языков есть корень «нюн» или «нён» со значением «мягкий, нежный» (сравните с казахским «нәзік» — нежный). Если фамилия возникла в регионах смешанного русско-тюркского населения (Поволжье, Урал, Сибирь), то прозвище Нюнюй могло означать «неженка» или «ласковый человек». Однако для окончательного вывода не хватает данных о географии фамилии — в открытых источниках она встречается единично, в основном в центральной России, что склоняет к версии о русском диалектном происхождении.

Социально фамилия Нюнюй, скорее всего, принадлежала крестьянской или мещанской среде. Такие «говорящие» прозвища, закреплённые в фамилиях без изменений, характерны для позднего периода формирования русских фамилий (XVII–XIX века), когда фамилии давались по уличному прозвищу, а не по отчеству. Носитель фамилии мог быть потомком человека, которого в деревне дразнили Нюней за излишнюю чувствительность, — и это прозвище перешло в официальный документ.