Фамилия Петюнина образована от мужского имени Петюня. Это неофициальная, народная форма имени Пётр, характерная для северных и центральных говоров. В русской ономастике такие «домашние» варианты — Петюня, Петюха, Петряй — часто становились основой для фамилий, минуя полное имя. Суффикс -ин указывает на принадлежность: «чей?» — Петюнин, то есть сын или потомок Петюни. Женская форма Петюнина закрепилась в документах, когда фамилию записывали на жену или вдову, либо когда носительницей стала женщина.

Корень фамилии — Пётр, греческое имя, означающее «камень, скала». Имя пришло на Русь с крещением и быстро стало одним из самых популярных. От него образовались десятки фамилий: Петров, Петрухин, Петрищев, Петраков. Петюнин — один из редких вариантов, сохранивших уменьшительно-ласкательную форму. Если Петровых много, то Петюнины встречаются локально, чаще в Вологодской, Архангельской и Кировской областях — там, где диалектная традиция смягчать и укорачивать имена была сильнее.

Словообразовательная модель простая: основа Петюн- плюс суффикс -ин. В говорах встречается и мужская форма Петюнин, и женская Петюнина, но в современной России фамилия чаще фиксируется в женском роде из-за особенностей паспортной записи. В дореволюционных переписях Петюнины могли числиться и как крестьяне, и как мещане — имя Пётр не было сословным, его носили все.

Споров о происхождении основы нет: Петюня — бесспорный дериват от Пётр. Единственное, что может сбить с толку, — это случайное совпадение с южнославянским корнем «пет», означающим «петь», но для русской фамилии эта версия маловероятна: у нас нет традиции образовывать фамилии от глагольных форм с суффиксом -юн-. Так что версия с именем Пётр — основная и единственная правдоподобная.

Встречаемость фамилии невысокая: по открытым данным, в России живёт около тысячи человек с фамилией Петюнина, преимущественно на северо-западе и в Поволжье. Среди носителей нет громких исторических фигур, но это не делает фамилию менее ценной для генеалогии — она чётко указывает на конкретную ветвь рода, ведущую начало от человека по имени Петюня.