Фамилия Земзина — женская форма фамилии Земзин, а та, в свою очередь, образована от прозвища или нецерковного имени Земзя. Эта модель (основа на -а или -я + суффикс -ин) типична для северных и центральных областей России, где фамилии на -ин так же распространены, как на -ов на юге. Иными словами, предок-мужчина был известен в своей общине как Земзя, а его дети и потомки стали Земзиными.

Корень «зем-» сразу отсылает к слову «земля». Однако прямое прозвище «Земля» встречается в древнерусских документах и могло означать человека приземистого, плотного, «приросшего» к земле, либо же крестьянина, который живет исключительно земледелием. Уменьшительная форма Земзя — это ласковое или бытовое производное от такого прозвища. В ономастике известен и другой путь: в некоторых говорах «земзя» могли называть крота или другого землероя, что давало прозвище по поведению или внешнему сходству.

Менее вероятна, но не исключена версия происхождения от крестильного имени. В святцах есть редкое имя Земон (от греческого «земля»), и Земзя могло быть его народной, сокращенной формой — по аналогии с тем, как Кузьма превращалось в Кузю. В этом случае фамилия Земзина восходит не к прозвищу, а к каноническому имени, что делает её «патронимической» в строгом смысле слова.

Исторически фамилия Земзины фиксируется в писцовых книгах и ревизских сказках XVI–XVII веков, в основном на территории нынешних Архангельской, Вологодской и Костромской областей. Это регионы, где долго сохранялся «черносошный» (свободный, не крепостной) крестьянский уклад, и фамилии там часто закреплялись раньше и устойчивее, чем в центре. Среди однокоренных фамилий — Земляков, Земский, Земичев, но Земзин стоит особняком из-за редкого суффикса -зя. Такая форма указывает на то, что прозвище было не нарицательным, а личным, внутрисемейным, что делает фамилию более древней и локальной.