Фамилия Пенягина почти наверняка — фонетический вариант более известной фамилии Пинегина. Разница между ними только в гласной после «П»: «е» вместо «и». В живой северной речи такое чередование не редкость, поэтому обе формы бытовали параллельно, а потом закрепились в документах как самостоятельные фамилии.

Основа у них общая — название реки Пинеги, правого притока Северной Двины в Архангельской области. Само слово «Пинега» финно-угорское по происхождению, и исследователи связывают его со значением «лесная (хвойная) местность». То есть предок носителя фамилии, скорее всего, был выходцем с берегов этой реки или из окрестных земель, а прозвище Пинега закрепилось за ним по месту жительства.

Однокоренные именования встречаются в документах уже в XVII веке. Известны, например, житель Соли Камской Петр Вавилов сын Пинягин (1666 год) и Оська Пенягин из села Половодово (1685 год). Оба примера показательны: они подтверждают, что формы с «и» и с «е» существовали одновременно и не считались ошибкой. География записей — Урал и Прикамье — говорит о том, что переселенцы с Русского Севера уносили прозвище далеко на восток, где оно и оседало в писцовых книгах.

Суффикс «-ин» в фамилии указывает на принадлежность: Пенягин — это «сын Пеняги». Такой тип фамилий был распространён повсеместно, но особенно часто встречался в северных и северо-восточных регионах России, что ещё раз связывает фамилию с поморскими корнями. Женская форма Пенягина образовалась стандартно, как обозначение жены или дочери Пенягина.

Стоит упомянуть и редкую альтернативную версию: в некоторых говорах «пеняга» могли прозвать ворчливого человека — от глагола «пенять», то есть укорять, выговаривать. Однако эта гипотеза выглядит вторичной: слишком уж явно фамилия ложится в ряд географических прозвищ, и примеры XVII века с Пинягиным и Пенягиным указывают именно на реку. Так что потомок человека с прозвищем Пинегин (или Пеняга) со временем получил фамилию Пенягина, сохранив в ней память о северной земле предков.