Фамилия Пупеин — редкий случай, когда модель образования почти полностью перекрывает значение основы. Суффикс -ин указывает на принадлежность: «чей?» — Пупеин, то есть сын или потомок человека по прозвищу Пупея. Само прозвище — это диалектная или искажённая форма слова «пуп» или «пупок». В русских говорах «пупея» могла означать человека с заметным, торчащим пупком, либо, в переносном смысле, — «пузана», «коротыша» (по аналогии с «пупыш» — нечто выпуклое, маленькое). В некоторых областях «пупеем» называли и детскую игрушку-волчок, которая крутится на одном месте, так что прозвище могло закрепиться за непоседливым или вертлявым человеком.

Географически фамилия привязана к северным и центральным регионам России. Форма на -еин (а не на -ов) типична для прозвищ, оканчивающихся на гласный: Пупея, как и Воробея, Копея. В писцовых книгах XVI–XVII веков встречаются схожие прозвища — Пупыш, Пупырь, Пупик, но Пупея стоит особняком: возможно, это не столько прозвище, сколько переосмысление крестильного имени. Гипотетически можно допустить связь с греческим именем Папий (от «паппас» — отец), которое в народной речи могло превратиться в Пупея, но это лишь предположение, не подтверждённое прямыми документами.

Социальный контекст фамилии типичен для крестьянской и посадской среды. Носители Пупеина — скорее всего, потомки тех, кого в деревне прозвали за внешность или повадку. В дворянских родословных эта фамилия не зафиксирована, что подтверждает её простонародное происхождение. Сейчас фамилия встречается единично, в основном в Вологодской и Кировской областях, что косвенно указывает на её севернорусские корни: именно там суффикс -ин у прозвищ на -ея был особенно распространён.