Фамилия Серпунина происходит от названия подмосковного города Серпухов. Однако её форма — с суффиксом -ин, а не -ов — указывает на то, что предок носителя фамилии, скорее всего, не был владельцем земель или выходцем из знатного рода. В русской ономастике фамилии на -ин обычно образовывались от прозвищ и названий, оканчивающихся на -а или -я, или от женских имён. В данном случае основа — «Серпуна» или «Серпуня».

Вероятнее всего, Серпуниным называли человека, который приехал из Серпухова, но в быту его прозвали не «Серпуховец», а уменьшительно-фамильярно — «Серпуня». Такая модель характерна для крестьянской и посадской среды: «Тверитин» → «Тверяк» → фамилия Тверяков, а «Серпуховец» → «Серпуня» → Серпунин. Суффикс -ин здесь работает как притяжательный: «чей?» — «Серпунин», то есть сын или потомок Серпуни.

Менее правдоподобна, но возможна версия, что «Серпуна» — это прозвище, данное за какой-то характерный признак. В диалектах слово «серпуха» могло означать дикую редьку или горькую траву, но связь с городским названием всё же выглядит первичной: географические фамилии на -ин для выходцев из городов на -ов (Серпухов, Коломна, Кашира) встречаются часто.

Фамилия Серпунина — женская форма, которая в русской традиции не склоняется по родам, а является вариантом мужской фамилии Серпунин. Встречается она нечасто, преимущественно в центральных областях России, что логично: основная масса носителей концентрируется вокруг серпуховского региона и Москвы. Дворянских родов с такой фамилией в дореволюционных родословных книгах не зафиксировано — это фамилия мещанская или крестьянская, что подтверждается её просторечной словообразовательной моделью.