Фамилия Пеночкина образована от прозвища или нецерковного имени Пеночка. В русской ономастике это типичная «птичья» фамилия, построенная по модели «название животного или птицы + суффикс -ин». Суффикс -ин указывает на принадлежность: Пеночкин буквально означает «сын Пеночки», «тот, кто относится к Пеночке».

Пеночка — это мелкая певчая птица из отряда воробьиных, известная своим звонким голосом. Прозвище Пеночка могли дать человеку за высокий, звонкий голос, за подвижность и суетливость, либо за невысокий рост и худощавое телосложение — по аналогии с маленькой птичкой. В русских говорах слово «пеночка» имело и переносное значение: так могли назвать бойкую, вертлявую женщину или девушку. Соответственно, фамилия Пеночкина в своей основе женская по форме (отвечает на вопрос «чья?»), но в современном употреблении это фамилия, которую носят и мужчины, и женщины, хотя исторически она закрепилась за потомками человека по прозвищу Пеночка.

Встречается фамилия Пеночкина преимущественно в центральных и северных регионах России, где птица пеночка широко распространена. В ономастических словарях её нередко относят к группе «птичьих» фамилий, куда входят Соловьёв, Воробьёв, Синицын, Кукушкин. Отличительная черта фамилии Пеночкина — редкая основа: пеночка как прозвище встречается в исторических документах реже, чем, скажем, соловей или воробей, поэтому носителей фамилии немного, и она сохраняет оттенок локальной, диалектной особенности.

С точки зрения словообразования фамилия прозрачна: корень -пеночк- (от «пена»? — нет, здесь связь с птицей, а не с пеной), суффикс -ин. Ударение в фамилии падает на второй слог: Пено́чкина. В дореволюционных метрических книгах встречается вариант написания через «ё» — Пёночкина, что отражает диалектное произношение, но современная норма фиксирует написание через «е».