Фамилия Витвинова — редкий случай, когда суффикс -ов присоединился не к мужскому прозвищу, а напрямую к женскому имени. В основе лежит имя Витвина — разговорная или диалектная форма канонического имени Виталина (от латинского vitalis — «жизненный», «жизнеспособный») или его уменьшительно-ласкательный вариант. В русской традиции такие формы нередко давали девочкам в крестьянской среде, где полное имя звучало слишком официально.

Есть и вторая, более неожиданная версия. В некоторых говорах слово «витвина» означало «ветвь», «ветка» — от общеславянского «вить» (вить, плести). Прозвище Витвина могли дать человеку гибкому, изворотливому или, наоборот, занимавшемуся плетением корзин, лаптей, верёвок. Тогда фамилия указывает не на имя, а на род занятий или характер предка. Эта версия правдоподобнее, потому что фамилии на -ин от прозвищ на -а встречаются часто, а вот женские имена в основе — редкость и обычно оставляют след в виде фамилий с суффиксом -ин (например, Марьин, Катеринин).

Географически фамилия Витвинова тяготеет к южнорусским и украинским областям, где диалектное «витвина» в значении «ветка» было распространено. В центральных и северных губерниях она почти не фиксируется. По сословию носители — скорее всего, крестьяне или однодворцы: фамилия образована по простой модели, без дворянских суффиксов (-ский, -цкий) и не встречается в родословных книгах.

Сравните с однокоренными фамилиями: Витвин, Витвицкий — все они восходят к той же основе «вить», но Витвинова выделяется тем, что сохранила женский вариант в корне. Это делает её не просто указанием на предка, а лингвистической редкостью, где прозвище перешло в фамилию без посредничества мужского имени.