Фамилия Чернаенко — яркий пример восточнославянской модели фамилий на -енко, которая особенно характерна для Украины. Суффикс -енко в украинской ономастике выполнял роль, схожую с русским -ов/-ев: он указывал на потомка, сына человека, чьё имя или прозвище легло в основу. В данном случае основа — «Чернай» или «Черна». Это усечённая, разговорная форма от прозвища или имени с корнем «черн-»: Чёрный, Чернавка, Черняк. Прямое значение — «сын Черная» или «потомок того, кого звали Чернаем».

Корень «черн-» в прозвищах на Руси имел несколько смысловых слоёв. Чаще всего он указывал на внешность — человека с очень тёмными волосами, смуглой кожей или черными глазами. Реже — на род занятий: «чёрный» в социальном смысле означал простого, тяглового человека, не относящегося к привилегированным сословиям. В некоторых говорах «чернаем» могли назвать и человека с тёмным, суровым характером. Таким образом, предок Чернаенко мог быть либо заметно темноволосым, либо принадлежать к податному крестьянству.

Географически фамилия Чернаенко тяготеет к центральным и левобережным областям Украины — Черниговщине, Полтавщине, Сумщине. В этих регионах модель на -енко была доминирующей уже в XVI–XVII веках. В российских переписях фамилия встречается реже, чаще всего как след миграции украинского населения в XVIII–XIX веках на юг и восток империи. Интересно, что в русском языке параллельно бытует фамилия Чернаев, образованная от той же основы, но с иным суффиксом, что хорошо иллюстрирует разницу в словообразовательных традициях двух народов.

Спорных версий у фамилии немного. Иногда её ошибочно связывают с топонимом Черняны, но для этого потребовался бы суффикс -ский (Чернянский). Версия о происхождении от крестильного имени Чернислав (гипотетического, не фиксируемого в святцах) — натяжка: в основе лежит именно прозвище, а не редкое славянское имя. Поэтому самый надёжный путь — считать Чернаенко «сыном Чернаго», то есть потомком человека с тёмной внешностью или низким социальным статусом.