Фамилия Понунаев — редкий случай, когда корень слова почти наверняка связан с водой, но не напрямую с профессией рыбака или лодочника. Основа «понун» — это диалектный вариант слова «понур» или «понурый», то есть «опущенный вниз, печальный, угрюмый». В говорах северных и сибирских областей так могли называть человека с постоянно опущенной головой, задумчивого или хмурого. Однако есть и более конкретная, бытовая версия: «понунаем» в некоторых местностях называли рыбу, которая держится у дна, или же сеть, которую опускают глубоко. Тогда прозвище Понунай мог получить либо рыбак, промышлявший донной ловлей, либо человек, которого в шутку сравнивали с «унылой» рыбой.

Суффикс -аев указывает на тюркское или, точнее, на ассимилированное в русской среде образование. В фамилиях на -аев, -еев обычно скрывается тюркское имя или прозвище, но здесь основа чисто русская, диалектная. Это говорит о том, что фамилия сформировалась на стыке культур: либо в районах смешанного русско-татарского населения (Поволжье, Приуралье), либо её принесли на юг переселенцы с Русского Севера. Адаптация через тюркский суффикс — признак того, что прозвище Понунай было дано в среде, где русская речь соседствовала с тюркской.

Версия о происхождении от личного имени Понунай (гипотетического, неканонического) слабая: в святцах и древнерусских именословах такого имени нет. Значит, перед нами чисто прозвищная фамилия, причём довольно старая — такие модели активнее работали в XVI–XVII веках. Носитель фамилии Понунаев мог быть крестьянином или посадским человеком из северных уездов (Вологодчина, Архангельская губерния), где диалект сохранил слово «понурый» в значении «угрюмый, нелюдимый», а фамилию зафиксировали уже на юге, в казачьих областях, куда переселенцы уходили от барщины.

В написании фамилии возможна путаница: в старых документах встречается вариант «Понунаев» и «Панунаев» (через «а» из-за аканья). Но корень остаётся тем же — от «понурый» или «понур». Родственные фамилии — Понуров, Понурин, Понуровский — более распространены, но Понунаев стоит особняком из-за редкого суффикса, который делает её почти уникальной.