Фамилия Пенжанинова — редкий случай, когда географический корень почти наверняка перевешивает личное прозвище. Основа «Пенжан» с высокой вероятностью восходит к гидрониму Пенжа — так называется река в бассейне Северной Двины, впадающая в озеро Лача. Топонимические фамилии по реке — обычное дело для русского Севера: человек, живший на Пенже или пришедший оттуда, получал прозвище Пенжан, то есть «житель с Пенжи». Суффикс -анин/-янин в северных говорах как раз и означал принадлежность к местности (ср. двинянин, устьянин). Фамилия Пенжанинов, соответственно, — «сын Пенжанина», а женская форма Пенжанинова — самая распространённая в быту, так как в метриках и переписях женщин часто записывали по мужу или отцу.

Менее вероятна, но возможна версия от тюркского или иранского личного имени Пенжан (от «пендж» — пять), но тогда фамилия тяготела бы к южным регионам и имела бы иную суффиксацию, например Пенжанов. Северный след подтверждается и тем, что фамилия Пенжанинов (и Пенжанинова) встречается в основном в Архангельской области и соседних районах Карелии, где река Пенжа хорошо известна местным жителям. В XIX веке носители фамилии числились преимущественно государственными крестьянами Онежского уезда — люди, державшиеся за землю и реку, а не за барскую усадьбу.

Суффикс -ов в мужском варианте указывает на стандартную русскую патронимическую модель: Пенжанинов — буквально «принадлежащий Пенжанину». Интересно, что сама фамилия Пенжанинов могла возникнуть не сразу: сначала было прозвище Пенжанин, а уже от него, по законам русской антропонимии XVII–XVIII веков, образовали фамилию. Таким образом, носительница фамилии Пенжанинова может считать своими предками крестьян-северян, живших у небольшой, но памятной речки, и сохранивших в фамилии не имя предка, а название родного места — что для русского Севера типично, но всё же встречается реже, чем фамилии по отцу.