Фамилия Олонина — женская форма, мужская — Олонин. По модели образования это типичная русская фамилия на -ин, которую давали по отцу: Олона — значит «чей?» — Олонин, то есть потомок человека по имени или прозвищу Олона.

Самая вероятная основа — разговорная форма крестильного имени Аполлон. В народной речи двойные согласные часто упрощались, а безударные гласные редуцировались: Аполлон → Аполон → Ополон → Олон. Отсюда уменьшительное Олона. Имя Аполлон в древнегреческой мифологии носил бог солнца и искусств, но в русских деревнях его давали по святцам, не задумываясь о мифологии. Фамилия, таким образом, восходит к церковному имени, которое в быту звучало проще и короче.

Есть и другая версия, менее распространённая: от прозвища Олона, связанного с диалектным словом «олонь» — так в некоторых говорах называли оленя. Прозвище могли дать быстрому, стройному или диковатому человеку. Однако для фамилий на -ин чаще работала отчествообразующая модель от личного имени, а не от прозвища животного, поэтому версия с Аполлоном выглядит убедительнее.

Фамилия встречается в северных и центральных регионах России, особенно в бывших новгородских землях, где имя Аполлон было в ходу, а местные говоры любили редуцировать гласные. Встречаются и однокоренные фамилии: Олонин, Олонов, Олонцев — все они восходят к тому же корню, но различаются суффиксами (‑ов, ‑цев), что указывает на разные региональные модели образования.

Олонины не относились к дворянству в массе своей — это фамилия крестьянская и мещанская, распространённая среди простых людей. В дореволюционных метрических книгах Олонины встречаются как государственные крестьяне и мастеровые, что подтверждает бытовое происхождение фамилии от имени, а не от сословного титула.