Фамилия Вторыгина образована от мужского мирского имени Вторыга. В старину на Руси было принято давать детям имена по порядку их появления на свет: Первой, Третьяк, Пятак, Десятой. Имя Вторыга, в основе которого лежит числительное «два», указывало на второго ребенка в семье. Модель образования фамилии проста: к основе Вторыг- добавился типичный русский суффикс -ин, обозначающий принадлежность («чей?» — Вторыгин). Суффикс -ин в русских фамилиях обычно присоединяется к основам, оканчивающимся на -а или -я, что и произошло в данном случае.

Имя Вторыга — одна из редких форм, образованных от корня «втор-». Чаще встречались варианты Второй, Вторуша, Второк. Ономасты, в частности Б. Унбегаун в «Русских фамилиях», отмечают, что подобные «порядковые» имена были особенно распространены в крестьянской среде до XVII века, пока церковь не начала активно бороться с мирскими именами. К XV–XVI векам в среде богатых людей такие прозвания начинают закрепляться и передаваться из поколения в поколение, превращаясь в фамилии. Однако Вторыгины, скорее всего, происходят из простых сословий: порядковые имена дольше всего держались именно у крестьян и посадских людей.

Географически фамилия Вторыгина встречается в центральных и северных регионах России, особенно в старых переписях Вологодской и Архангельской губерний. Там традиция именования по счету детей сохранялась дольше, чем на юге.

В современном написании фамилия сохраняет женскую форму — Вторыгина. Мужской вариант — Вторыгин. Аналогичные фамилии, построенные по той же модели: Первышин, Третьяков, Шестаков, Семичев. Отличие Вторыгина в том, что суффикс -ин здесь присоединен к личному имени на -а, тогда как Третьяков образован от имени Третьяк с помощью суффикса -ов.