Фамилия Бионенко — редкий случай, когда основа не поддаётся однозначному толкованию, зато модель образования прозрачна. Суффикс -енко указывает на типично украинскую патронимическую фамилию, то есть «сын человека по имени или прозвищу Бион». Такие фамилии на -енко массово закрепились в Левобережной Украине (Полтавщина, Черниговщина, Слобожанщина) в XVII–XVIII веках, поэтому географически фамилия почти наверняка оттуда.

Сложность в корне Бион-. В украинской ономастике нет распространённого имени или прозвища с таким звучанием. Первое, что приходит на ум — греческое слово «биос» (жизнь), но в народной среде оно вряд ли могло стать прозвищем напрямую: слишком книжное. Вероятнее, что это искажённая или адаптированная форма при заимствовании. Например, от польского или немецкого имени Бенедикт (в польском уменьшительном варианте Bień, Bion) — через диалектное произношение могло получиться Бион. Либо от редкого прозвища, связанного с диалектным словом «бионь» или «бионок» — так в некоторых говорах называли бойкого, живого человека. Точных словарных фиксаций этого слова нет, но логика народной прозвищной системы допускает такой вариант.

Ещё одна версия, менее вероятная, но не исключённая — топонимическая. В Польше есть село Бионь (Bień), в Беларуси — урочища с похожими названиями. Переселенец оттуда мог получить прозвище Бион, от которого и пошла фамилия. Однако для украинского суффикса -енко более типична связь с личным именем или прозвищем, а не с названием места.

Написание фамилии устойчивое, без вариантов вроде Бионенок или Бионенков, что тоже говорит о её позднем оформлении уже в письменной традиции. В современных базах носители встречаются в основном в центральных и восточных областях Украины, а также среди потомков переселенцев в России и Казахстане. Сословно — почти наверняка крестьянское или казацкое происхождение: фамилии на -енко в XVIII веке получали в основном свободные люди, а не дворяне.