Фамилия Гнылозубенко — яркий пример того, как прозвище, данное по внешнему признаку, закрепилось в родовом имени. В её основе лежит украинское или южнорусское слово «гнылый» (гнилой) и «зуб». Прямое значение — «человек с гнилыми зубами». Такие прозвища в народе давали без злого умысла, а по конкретной, бросающейся в глаза примете. В среде, где здоровье зубов было делом случая и возраста, подобная характеристика не воспринималась как оскорбление, а служила точным указателем, кого имеют в виду.

Суффикс «-енко» однозначно указывает на украинское происхождение. В XVI–XVII веках в Поднепровье эта модель была самой распространённой для образования фамилий. «Гнылозубенко» буквально означает «маленький Гнылозуб» или «сын Гнылозуба». То есть сначала прозвище Гнылозуб получил глава семьи, а его дети и потомки стали Гнылозубенками.

С точки зрения словообразования, фамилия необычна тем, что в ней сохранилась редкая для славянских фамилий основа из двух корней с отрицательной коннотацией. Большинство сложных фамилий (Добронравов, Милоградов) несут положительный смысл. Здесь же — бытовая, почти физиологическая деталь. Это делает фамилию ценной для историков языка: она зафиксировала народную манеру «именовать по дефекту», которая была распространена в крестьянской среде, но редко попадала в официальные документы.

Географически фамилия тяготеет к центральным и восточным областям Украины, а также к югу России, куда шёл активный миграционный поток малороссов в XVIII–XIX веках. Встречаются варианты написания: Гнилозубенко (через «и») и Гнылозубенко (через «ы»). Второй вариант, с «ы», типичен для говоров, где произносили «гнылый» вместо литературного «гнилой».

Сословная принадлежность предков, скорее всего, была крестьянской или казацкой. Среди казаков и мещан такие «говорящие» прозвища были обычным делом — их давали в быту, и они редко переходили в дворянские гербовники. Официально фамилия закрепилась, вероятно, в пореформенный период, когда всех крестьян обязали иметь постоянные фамилии.