Фамилия Пенисова — редкий случай, где внешняя форма и смысл разошлись кардинально. На слух она кажется производной от латинского penis, но в русской ономастике этот корень не имеет к анатомии никакого отношения. Основа здесь — древнерусское нецерковное имя или прозвище Пень. Так называли коренастого, крепкого человека, возможно, упрямого или грубоватого — по ассоциации с пнём, который трудно выкорчевать. Суффикс -ов- указывает на стандартную патронимическую модель: Пенисов — сын Пеня. А вот окончание -а превращает фамилию в женскую форму, то есть Пенисова — это «жена или дочь Пенисова».

Словообразовательная цепочка проста: Пень → уменьшительное Пенька (смягчённое Пеня) → Пенисов → Пенисова. Со временем безударное «е» в суффиксе могло звучать как «и», а на письме закрепилось именно такое написание — через «и». Встречается вариант Пенесова, но он гораздо реже. Географически фамилия тяготеет к северным и центральным областям России: Архангельская, Вологодская, Костромская губернии, где прозвища от «пня» были обычны из-за лесного промысла и подсечного земледелия.

Версия о происхождении от слова «пенис» (лат.) — вторичная и ложная. Латинский корень проник в русский язык только в XVIII–XIX веках через медицинскую терминологию, а фамилия Пенисова фиксируется в переписях XVII века. Это значит, что предки носительницы фамилии — крестьяне или посадские люди, получившие прозвание по характеру или внешности, а не по случайному совпадению с чужеземным словом.

Среди однокоренных фамилий — Пеньков, Пенкин, Пеняев, Пеньковский. Все они восходят к тому же корню «пень», но с разными суффиксами. Пенисова выделяется тем, что её нынешняя форма вызывает неловкость у носителей, хотя исторически она ничем не отличается от фамилий вроде Дубов или Берёзов — просто описывает природный объект, который стал прозвищем предка.