Фамилия Пеняжина — это женская форма фамилии Пеняжин, которая образована от прозвища или нецерковного имени Пеняга. В основе лежит слово «пеня» — в древнерусском языке так называли упрёк, укор, жалобу или денежное взыскание, штраф. Человек по прозвищу Пеняга мог получить его за сварливый, придирчивый нрав, либо, напротив, за то, что сам часто жаловался и пенял на судьбу. Однако есть и другая, более прозаичная версия: «пеней» в некоторых говорах называли мелкую монету, отсюда же слово «пенязь» (денежная единица). В таком случае Пеняга — это прозвище человека, имевшего дело с деньгами: сборщика податей, ростовщика или просто прижимистого хозяина.

Модель образования фамилии типична для северных и центральных русских земель. Суффикс -ин указывает на принадлежность: «чей сын?» — Пеняжин, то есть сын Пеняги. В писцовых книгах XVI–XVII веков встречаются крестьяне и посадские люди с таким именованием, например, в новгородских и вятских землях. Фамилия не относится к дворянским, её носители в массе своей были крестьянами или ремесленниками.

Сравнение с однокоренными фамилиями — Пеняев, Пеняков, Пенюгин — показывает, что все они восходят к тому же корню «пен-», но с разными суффиксами. Пеняжина — форма более редкая, чем, скажем, Пеняев, и сохранилась преимущественно в тех регионах, где бытовало слово «пеняга» (Вологодчина, Архангельская область). В современных справочниках фамилия встречается редко, что говорит о её локальном происхождении.