Фамилия Протвинев — редкий случай, когда в основе лежит не личное имя, не профессия и даже не характер человека, а географический объект, причём не самый очевидный. Она образована от названия реки Протвы — левого притока Оки, протекающей по Калужской, Московской и Смоленской областям. Модель образования типична для русских фамилий: основа (Протв-) плюс суффикс принадлежности -ин- и окончание -ев. Сочетание -ин-ев выглядит необычно, но это результат морфологического сращения: сначала появилось прозвище Протвинь (житель берегов Протвы), а затем от него — фамилия Протвинев, то есть «сын Протвиня».

Река Протва дала название нескольким населённым пунктам: известны деревни Протвино, Протва, а также город Протвино в Подмосковье, основанный уже в XX веке. Однако фамилия Протвинев, скорее всего, возникла задолго до появления этого города, в XVI–XVII веках, когда крестьяне и служилые люди получали прозвища по месту жительства. Человек, переехавший с берегов Протвы в другой уезд, мог получить прозвище Протвинь, которое затем закрепилось за его потомками.

В ономастике такие фамилии называют топонимическими. По классификации Б. Унбегауна, суффикс -ин указывает на принадлежность к местности или роду, а основа на географическое название. Альтернативная версия, связывающая фамилию с диалектным словом «протва» (прут, хворостина), менее вероятна: у этого слова нет устойчивого прозвищного употребления, а для русских фамилий характерно образование именно от названий рек и сёл.

Фамилия Протвинев — штучная, встречается редко, в основном в центральных областях России. Её носители, вероятно, потомки крестьян или однодворцев из бассейна Протвы. Сословная принадлежность не прослеживается однозначно: среди владельцев этой фамилии могли быть как крепостные, так и вольные люди, например, казаки или посадские.