Фамилия Пенегина — женская форма фамилии Пенегин, а та, в свою очередь, образована от прозвища или мирского имени Пенега. В основе, скорее всего, лежит слово «пеняга» — так в северных и сибирских говорах называли пенёк, то есть невысокий толстый обрубок бревна или пень. Прозвище Пенега могли дать коренастому, приземистому человеку с крепкой фигурой — по аналогии с устойчивым, тяжелым пнём. В русской ономастике такие «растительные» прозвища не редкость: есть фамилии Пеньков, Пнёв, Пенечкин, и Пенегин стоит в том же ряду, но с характерным северным говорным оттенком.

Фамилия Пенегин сформировалась по стандартной модели: к основе Пенег- добавился притяжательный суффикс -ин, указывающий на принадлежность «сын Пенеги» или «род Пенегиных». Такая словообразовательная схема типична для русских фамилий, возникших в XV–XVII веках в крестьянской и посадской среде. Суффикс -ин в данном случае присоединяется к основе, оканчивающейся на согласный, что вполне обычно для прозвищ на -а/-я.

Географически фамилия Пенегин (и Пенегина) тяготеет к Русскому Северу. В переписных книгах и архивных записях XVII–XVIII веков носители этой фамилии встречаются в Вологодской и Архангельской губерниях, а также в Пермском крае, куда переселялись северяне. Это косвенно подтверждает связь с диалектным словом «пеняга», бытовавшим именно в поморских и уральских говорах.

Менее вероятная версия связывает фамилию с финно-угорским субстратом. В карельском и вепсском языках есть слово «peni» — маленький, небольшой. Если прозвище Пенега возникло на территории, где русские соседствовали с финно-угорскими народами, оно могло означать «малыш» или «коротышка». Однако эта гипотеза слабее, так как для русского уха форма «пеняга» естественно соотносится с «пнём», а не с заимствованным корнем. К тому же фамилии на -яга (ср. Бодягин, Корягин) в северных говорах часто имеют исконно русскую основу.

В итоге, Пенегина — фамилия, которая с большой вероятностью говорит о предке с прозвищем Пенега, то есть человеке невысоком, плотном, «как пенёк». Носители этой фамилии, скорее всего, происходят из крестьянских семей Русского Севера или Урала, и их фамилия сохранила местный говорной оттенок, не стёртый столетиями.