Фамилия Павлина — редкий случай, когда женская форма закрепилась в качестве родового имени, а не только как вариант для женщины. В русской традиции фамилии на -ин обычно образуются от основ, оканчивающихся на -а/-я: Павел → Павлин (уменьшительное или разговорное) → Павлина. То есть перед нами не мужская фамилия с окончанием -а, а именно форма, которая исторически могла принадлежать женщине, но со временем застыла и передавалась по наследству без изменения. Встречается она преимущественно в южнорусских и украинских регионах, где фамилии на -а более характерны.

Основа фамилии — имя Павел в его уменьшительно-ласкательной форме Павлин. Это не каноническое церковное имя, а народный вариант, вроде Ивана и Иванки. В говорах так могли называть младшего сына или просто ребенка с именем Павел. Суффикс -ин указывает на принадлежность: «чей?» — Павлинин, то есть «сын или дочь Павлина». Однако, в отличие от привычных Иванов и Петров, здесь словообразовательная цепочка нестандартна: не Павел → Павлов, а Павел → Павлин → Павлина.

Есть и вторая версия, менее вероятная, но любопытная. В некоторых говорах «павлина» — самка павлина, то есть птица. Прозвище Павлина могли дать женщине за яркую, заметную внешность или за манеру одеваться. Но фамилия Павлина встречается у мужчин, а прозвища в женском роде для мужчин — редкость (хотя бывают, например, Сорока или Лиса). Поэтому версия с именем Павел выглядит убедительнее.

В дореволюционных источниках фамилия фиксируется в основном за крестьянским и мещанским сословием. В дворянских родословных она не встречается — это «простая» фамилия, образованная от обиходного имени. Интересно, что в некоторых переписях XIX века писали «Павлин» и «Павлина» как варианты одной фамилии, а иногда и как отчество: «Иван Павлин сын» превращалось в фамилию Павлина. Сейчас носители фамилии живут в России, на Украине и в Белоруссии, но нигде не образуют крупных гнезд — это редкая, локальная фамилия.