El origen directo del nombre de la estación es local y práctico: Pío XII se llama así por la avenida de Pío XII, la vía bajo la cual y junto a la cual se sitúa la parada en Chamartín. La ficha actual del CRTM identifica la estación de la línea 9 como Pío XII y ubica sus accesos en la avenida de Pío XII, números 4 y 16.
El nombre anterior que hay detrás de la avenida es el del papa Pío XII, nacido Eugenio Maria Giuseppe Pacelli en Roma el 2 de marzo de 1876. Fue elegido papa el 2 de marzo de 1939, tomó el nombre de Pío XII y dirigió la Iglesia católica hasta su muerte en Castel Gandolfo el 9 de octubre de 1958. En el callejero español, el nombre pontificio queda reducido a Pío XII.
Esa biografía da al topónimo una fuerte carga del siglo XX. El pontificado de Pío XII comenzó pocos meses antes del estallido de la Segunda Guerra Mundial y continuó durante los primeros años de la Guerra Fría. Su actuación en la guerra sigue siendo discutida: sus defensores subrayan la labor asistencial y de protección vinculada al Vaticano, mientras que sus críticos señalan su lenguaje público prudente y su supuesto silencio ante el genocidio.
La avenida madrileña pertenece además a un contexto político y religioso español. El nombre de la vía ya estaba en uso el 31 de diciembre de 1950, cuando la EMT documenta una línea de autobús entre Cibeles y la Avda. Pio XII. Durante el pontificado de Pío XII, la España de Franco y la Santa Sede firmaron el Concordato de 1953, un acuerdo de gran alcance que reconocía la religión católica como la única de la nación española y formalizaba unas estrechas relaciones Iglesia-Estado.
Para la estación de Metro, la prueba más sólida apunta a una cadena indirecta de denominación: del papa a la avenida, y de la avenida a la estación. Una crónica contemporánea de El País indica que el tramo Plaza de Castilla-Avenida de América de la línea 9 entró en servicio el 30 de diciembre de 1983 e incluía Pío XII entre sus seis estaciones. No se ha encontrado un nombre anterior de la estación ni un cambio posterior de denominación.