Фамилия Чернонебов — редкий случай, когда прозвище сложили из двух полнозначных слов: «чёрный» и «небо». Такие модели в русской ономастике называют «синтаксическими» или «глагольными» по происхождению: они родились из целой фразы, а не из одного корня с суффиксом. В основе лежит прозвище Чернонеб — так в старину могли назвать человека с очень смуглой кожей, черными волосами или, наоборот, мрачного, угрюмого нрава, будто он «чернит небо». Вторая версия, менее вероятная, — что прозвище относилось к человеку, который жил под открытым небом в непогоду, но она не подкрепляется типичными для русских фамилий реалиями.

Окончание -ов — стандартный патронимический суффикс, указывающий на принадлежность: «сын Чернонеба». Фамилия образована по той же модели, что и, скажем, Белоногов или Краснозубов, но с более абстрактным вторым компонентом. В отличие от фамилий на -ский или -ин, эта модель встречается реже, что делает Чернонебов заметной в документах.

География фамилии узкая. По данным современных телефонных справочников и архивов ЗАГС, основная масса носителей сосредоточена в Центральной России — в Московской, Тверской и Ярославской областях. Встречается она и на юге, в Краснодарском крае, куда могла попасть с переселенцами в XIX веке. В дореволюционных переписях и ревизских сказках фамилия почти не попадается, что говорит о её позднем закреплении — скорее всего, в середине-конце XIX века, когда крестьянам массово давали фамилии по прозвищам, которые до этого бытовали только в устной речи.

С точки зрения социального статуса, Чернонебовы — почти наверняка бывшие крепостные крестьяне или однодворцы. Дворянские фамилии с таким корнем неизвестны: «небо» в прозвище — признак народной образности, а не книжного происхождения. Если сравнить с однокоренной фамилией Чернонебский, то она могла возникнуть у семинаристов (по той же логике, что и Небесский), но -ов в окончании указывает именно на мирскую, нецерковную среду.

Таким образом, фамилия Чернонебов — это прямое свидетельство того, как в русской деревне человека могли окрестить по внешности или характеру, соединив два слова в одно прозвище, которое затем стало родовым именем.