Фамилия Папенова — редкий случай, когда основа сразу бросается в глаза, но не даёт однозначного ответа. В ней отчётливо слышится корень «пап-», который в русских фамилиях чаще всего указывает на отца (от греческого «папас» — отец, или от простонародного «папа» — батюшка). Однако суффикс «-енов» здесь нестандартный. Обычно фамилии на «-ов» и «-ев» образуются от имён или прозвищ, оканчивающихся на согласный или «-й», а суффикс «-енов» встречается реже и часто указывает на иноязычное влияние или на происхождение от имени с суффиксом «-еня», «-ена».

Вероятнее всего, основа — прозвище или имя Папеня. В старых русских говорах «папеня» могли называть маленького ребёнка, «папенькиного сынка», или же это была ласкательная форма имени Павел (Павел → Папа → Папеня). Тогда Папенов — потомок того, кого звали Папеней. Менее распространённая версия — связь с польским или белорусским словом «papież» (папа римский) или с фамилиями типа Папенский, которые могли давать семинаристам. Но для фамилии на «-ов» такая религиозная основа маловероятна: крестьянам редко давали фамилии по церковным титулам.

Географически фамилия Папенова встречается в основном в центральной России и Поволжье, что подтверждает её исконно русское происхождение. Встречается она нечасто, что говорит о локальном бытовании прозвища. Сословно носители, скорее всего, были крестьянами или мещанами — фамилия не содержит аристократических суффиксов («-ский» или «-инов»).

Если сопоставить с однокоренными фамилиями — Папин, Папков, Папушев, — то Папенова стоит особняком: она не отчество от имени (как Папин), а именно от прозвища с уменьшительным оттенком. То есть предок, скорее всего, был младшим в семье или обладал мягким, «папенькиным» характером. Фамилия сохранила эту бытовую, почти домашнюю интонацию, что и делает её непохожей на другие.