Фамилия Путюнина — женская форма от Путюнин. Её основа — прозвище или нецерковное имя Путюня, которое в свою очередь образовано от корня пут- с помощью уменьшительно-ласкательного суффикса -юн(я). В русской антропонимии суффикс -юня встречается реже, чем стандартный -уня, и придаёт слову оттенок просторечной ласки или пренебрежения (сравните: Ванюня, Петюня, Митюня — от полных имён). Фамилии на -ин, как Путюнин, традиционно указывали на принадлежность: «чей сын?» — Путюнин, то есть сын Путюни.

Корень пут- многозначен. Самая прямая версия — связь с глаголом путать: Путюней могли прозвать рассеянного, неловкого или того, кто постоянно путал дела и слова. В северных и сибирских говорах «путя» означала также «путаник», «нескладный человек». Менее вероятна, но возможна связь с диалектным «путя» — «петля» (например, в рыболовной снасти), откуда прозвище мог получить рыбак или тот, кто делал сети. Третья, спорная версия — происхождение от древнерусского имени Пута (Путька), сокращённой формы от Путимир или Путислав, но тогда ожидалась бы форма Путин — а Путюня явно вторичный, уменьшительный вариант.

Географически фамилия Путюнин тяготеет к северо-востоку России: она встречается в Вологодской, Архангельской областях и в Пермском крае. В этих регионах была распространена модель образования фамилий от прозвищ на -уня, и сам корень пут- в значении «путаный» фиксируется в местных говорах. Судя по всему, предки современных Путюниных были крестьянами или посадскими людьми — фамилия не относится к дворянским и не упоминается в родословных книгах.

Среди однокоренных фамилий — Путин, Путилов, Путилин, Путятин. Путюнин стоит особняком благодаря редкому суффиксу: если Путин — от имени Путька (или от «путь»), то Путюнин — от явно прозвищной, разговорной формы. Это делает фамилию более «домашней» по происхождению: её дали не по отцу, а по бытовой характеристике человека.