Фамилия Пупенина — женская форма фамилии Пупенин. В русской традиции фамилии на -ин образуются от основ, оканчивающихся на -а или -я, и указывают на принадлежность: «чей?» — «Пупенин», то есть сын или потомок человека по прозвищу Пупеня.

Основа фамилии — слово «пупеня». В русских говорах это уменьшительно-ласкательное производное от «пуп», «пупок». Прямое значение — маленький ребёнок, младенец (сравните: «пупсик» в современном языке, «пупеныш» — детёныш). Прозвище Пупеня могли дать младшему, позднему или очень маленькому ребёнку в семье, а также человеку невысокого роста или с заметной пухлостью. В ономастике такие прозвища от частей тела нередки, но в случае с «пупеней» почти всегда подразумевается именно «малыш», а не анатомическая деталь.

Вторая, менее распространённая версия связывает фамилию с диалектным словом «пупень» — в некоторых регионах так называли цветочную почку, бутон. Тогда прозвище могло относиться к человеку с пышными кудрями или, образно, к тому, кто «распускается» поздно, медленно взрослеет. Однако эта версия уступает первой по частотности и логике бытового именования.

Суффикс -ин в фамилии Пупенин указывает на её севернорусское или центральнорусское происхождение: такие фамилии характерны для территорий бывших Новгородских и Вятских земель, Поволжья. В южных и западнорусских говорах та же основа дала бы форму Пупененко или Пупенюк.

По социальному составу Пупенины — это крестьянский или посадский род. Фамилия не встречается среди дворянских родов, внесённых в родословные книги, и не имеет аристократического звучания. Зато она сохранила живую, бытовую основу — прозвище, данное в домашнем кругу, что делает её типичным примером «прозвищной» фамилии, распространённой в среде простого народа.