Фамилия Чернобылюк — редкий случай, когда в основе лежит не имя и не ремесло, а название места, которое стало нарицательным. Вопреки возможным ассоциациям, корень здесь не связан с аварией на ЧАЭС, а уходит в народную географию: «чернобыл» — это украинское и южнорусское название растения полынь (Artemisia vulgaris). В старину полынью зарастали пустоши, заброшенные пашни и сырые низины, поэтому «Чернобыль» часто давали как прозвище человеку, жившему у такого места или имевшему к нему отношение.

Суффикс -юк указывает на западноукраинское происхождение (Волынь, Подолье, Галичина). Это типичный патронимический формант, который в данном случае превратил прозвище или название села в фамилию сына или потомка: «Чернобылюк» буквально означает «маленький Чернобыль» или «сын Чернобыля». Встречается также форма Чернобыльчук, но Чернобылюк — более архаичный вариант, характерный для крестьянских родов, не затронутых польской шляхетской модой на фамилии на -ский.

География фамилии узкая. Основной ареал — Хмельницкая, Винницкая и Житомирская области Украины, где и сегодня есть несколько сёл с названием Чернобыль (например, в Староконстантиновском районе). В России фамилия встречается единично, чаще всего у потомков переселенцев с Правобережной Украины конца XIX — начала XX века.

Любопытно, что фамилия избежала массового «обрусения» с заменой окончания на -ов. Это говорит о том, что носители долго сохраняли украинскую идентичность и не переходили на великорусские модели фамилий даже при переезде. В сословном отношении Чернобылюки — почти поголовно бывшие государственные или помещичьи крестьяне, не имевшие отношения к казацкой старшине или духовенству.

Единственная путаница, которая возникает у современных исследователей, — это попытки связать фамилию с цветом волос (от «черный» и «белый»). Но это ложный путь: вторая часть слова не «белый», а «быль» (трава, стебель). Так что предки носителя фамилии — не «чернобелые», а люди, чей дом стоял на полынной пустоши.