Фамилия Витвинов — редкий образец, в котором прозвищная основа переплелась с географическим именем. В её основе лежит слово «витвина» — так в псковских и тверских говорах называли ветвь, хворостину, тонкую ветку. Человек по прозвищу Витвина мог быть худым, высоким, «тонким, как прут», либо заниматься плетением из лозы и корзин. В словаре Владимира Даля зафиксировано и слово «витвина» в значении «побег растения», что подтверждает образное, а не случайное происхождение прозвища.

Суффикс -ов указывает на стандартную патронимическую модель: Витвинов — «сын Витвины». Фамилия образована по тому же принципу, что и более частые Сорокин, Репин, но с прозрачной, хоть и диалектной, основой. Интересно, что в документах XVII–XVIII веков встречается написание «Витвинов» и «Ветвинов» — это не ошибка, а отражение акающего произношения: в говорах «витвина» и «ветвина» звучали одинаково. Со временем написание закрепилось с буквой «и», но в некоторых семьях до сих пор можно встретить вариант «Ветвинов».

Вторая версия, менее вероятная, связывает фамилию с топонимом. Существует несколько небольших речек с названием Витвинка (например, в бывшей Витебской губернии). В этом случае Витвинов — не от прозвища, а от названия места жительства: «выходец с реки Витвинки». Однако против этой гипотезы говорит то, что фамилии от гидронимов обычно оформляются суффиксами -ский/-цкий (Витвинский), а не -ов. Скорее всего, основная масса носителей — потомки того самого «тонкого» или плетущего человека.

Витвиновы — фамилия с отчётливой северо-западной привязкой: Псковская, Новгородская, Тверская области. В переписных книгах XVI–XVII веков крестьяне с таким именем встречаются в погостах Водской пятины. В XIX веке фамилия вышла за пределы диалектной зоны, но до сих пор остаётся локальной и малочисленной — найти её в общероссийских списках можно, но редко.