Фамилия Семыгин образована от имени или прозвища Семыга, а то, в свою очередь, — от уменьшительной формы крестильного имени Семён. В русской народной традиции имя Семён (от древнееврейского Шимон — «услышанный Богом») давало множество производных: Сема, Сёма, Семыка, Семыня. Форма Семыга — одна из менее распространённых, с характерным суффиксом -ыг(а), который в русских говорах придавал слову оттенок просторечия или фамильярности (сравните: братыга, дядыга, а также фамилии Косыгин, Балыгин). Суффикс -ин в финале указывает на принадлежность: «чей?» — Семыгин, то есть сын или потомок Семыги.

Вероятно, в основе лежит не имя, а прозвище. В северных и сибирских говорах словом «семыга» могли называть бродягу, беглого или человека, который «семенит» — ходит мелко и быстро. Однако эта версия менее убедительна: суффикс -ыг(а) в прозвищах чаще указывал на внешность или характер (например, Косыга — кривой, Босыга — босой), а не на образ жизни. К тому же фамилия Семыгин встречается в основном в центральных и южных регионах России, где имя Семён было очень популярно, так что именная версия предпочтительнее.

Фамилия фиксируется в документах с XVII века. В переписных книгах Воронежского уезда 1670-х годов упоминается крестьянин Ивашко Семыгин. Это говорит о том, что носители фамилии изначально принадлежали к крестьянскому или посадскому сословию — дворянских родов Семыгиных в официальных родословных книгах не значится.

Стоит обратить внимание на ударение. В фамилии Семыгин оно падает на второй слог — Семы́гин, что отличает её от похожей фамилии Сёмыгин (с ударением на первый слог). Последняя образована от имени Сёма (краткая форма от Семён), тогда как Семыгин — от более редкой формы Семыга. В современной России фамилия нечастотна, но устойчиво держится в Поволжье и Черноземье, особенно в Тамбовской и Липецкой областях.