Фамилия Антоненка — один из тех случаев, когда написание подсказывает географию точнее, чем корень. На слух она кажется украинской, и это верно: фамилия закрепилась в основном на востоке Украины, особенно в Сумской и Харьковской областях, а также встречается в приграничных русских регионах — Белгородской, Курской, Воронежской областях.

В основе лежит крестильное имя Антон (от латинского Antonius, что предположительно означает «вступающий в бой» или «состязающийся»). Но ключевая деталь — суффикс. В русском языке фамилии на -енко (Антоненко) образуются по патронимической модели: «чей?» — «Антоненко», то есть «сын Антона». Форма Антоненка — это не ошибка и не искажение, а фонетический вариант, характерный для северных и восточных говоров украинского языка, где ударение в фамилиях на -енко часто смещается на предпоследний слог, а конечное «о» редуцируется до «а» или вовсе отпадает. В писцовых книгах XIX века одну и ту же семью могли записать то как Антоненко, то как Антоненка, в зависимости от говора писаря.

Другая, менее вероятная версия связывает фамилию с белорусским аканьем. В белорусском языке имя Антон произносится как Антон, но фамилии на -ёнка (Антонёнка) встречаются реже и обычно оформляются через «ё». Форма Антоненка с ударением на «е» — почти однозначный маркер украинского Слобожанщины.

По сословному составу носители фамилии Антоненка — в основном крестьяне и казаки. В ревизских сказках Харьковской губернии середины XIX века эта фамилия встречается среди государственных крестьян и бывших казаков, которые после упразднения полкового устройства перешли в податное сословие. Дворянских родов с такой фамилией не зафиксировано.

Словообразовательно фамилия проста: корень Антон- + суффикс -енк(а). Её ближайшие родственники — Антонов, Антошин, Антонцев. Но если Антонов — это «чей?» (принадлежащий Антону), то Антоненка — «чей сын?», что подчёркивает родовую связь через отца. В современной России фамилия редкая, и её обладатели почти всегда могут проследить корни до украинских губерний Российской империи.