Фамилия Панюгина — редкий случай, когда женская форма фамилии закрепилась в качестве основной, хотя по происхождению она, скорее всего, принадлежит к самому массовому типу русских фамилий на -ин. В норме Панюгин — это фамилия мужчины, а Панюгина — его жены или дочери. Но если перед нами именно фамилия женщины как самостоятельная единица (например, в паспорте), то она образована от мужской Панюгин так же, как Смирнова от Смирнов или Иванова от Иванов.

Основа фамилии — прозвище или неканоническое имя Панюга. Это слово имеет два основных объяснения, и оба связаны с диалектной лексикой северных и центральных областей России. Первое: в архангельских и вологодских говорах «панюга» означало нечто вроде «неряха», «неопрятный человек», а также могло относиться к неуклюжему, медлительному человеку. Второе, более вероятное: Панюга — это уменьшительно-пренебрежительная форма от крестильного имени Пантелеймон (через Паня, Панюша). В русской деревне имя Пантелеймон было распространено, и его бытовые варианты дали множество фамилий: Пантелеев, Пантелеевский, Панюшкин, Панюгин. Суффикс -юг- в этом случае придаёт имени оттенок просторечия, как, например, в фамилиях Титюгин (от Тит), Сенюгин (от Семён).

Модель образования проста: от имени или прозвища Панюга притяжательный суффикс -ин дал значение «чей?» — «сын Панюги». Это типичная патронимическая схема, которая в XV–XVII веках закрепилась за крестьянскими и посадскими семьями. Дворянских родов с такой фамилией не зафиксировано — Панюгины, скорее всего, выходцы из крестьян или мещан, и фамилия бытовала в основном в северных губерниях: Вологодской, Архангельской, Вятской. Встречается она и в старых переписных книгах по этим регионам.

Сравнение с однокоренными фамилиями показывает, что Панюгин стоит в одном ряду с Панюшиным и Панюшкиным, но отличается более «грубой» огласовкой суффикса. Если Панюша — ласкательное, то Панюга — фамильярное, почти уличное прозвище. Это даёт основание предполагать, что первый носитель фамилии был человеком простого звания, которого в быту звали не по отчеству, а по характерному имени-прозвищу, данному либо за внешность, либо за манеру поведения.