Фамилия Голоколенцева — яркий пример прозвища, которое описывает внешность. Основа фамилии — «голая коленка». Прозвище Голоколенка, Голоколенец давали человеку, который ходил с голыми коленями — либо из-за бедности и рваной одежды, либо по привычке не носить длинные порты. В старину такое прозвище было не лестным, а скорее насмешливым, приметным. Позже от него образовалась фамилия через суффикс -цев (вариант -ов после мягкого согласного). То есть Голоколенцев — сын Голоколенца.

Слово «голоколенка» — сложное, образовано слиянием прилагательного «голый» и существительного «колено». В русских говорах встречаются и другие вариации: «голоколенный», «голоколенник», но именно форма с суффиксом -ец дала начало фамилии. По модели образования Голоколенцев стоит в одном ряду с фамилиями вроде Кривошеева, Щербакова, Безбородова — все они описывают характерную черту внешности.

Географически фамилия тяготеет к южнорусским и центральным областям. В документах XVII–XVIII веков встречаются крестьяне и однодворцы с прозвищем Голоколенка в Тульской, Рязанской и Воронежской губерниях. Дворянских родов с такой фамилией не зафиксировано — это однозначно крестьянская или посадская среда, где прозвища были особенно меткими.

Иногда фамилию путают с Голоколенковым (от «голоколенка» через суффикс -ов). Но форма Голоколенцев — более редкая и архаичная, указывает на древнюю модель именования по отцу: «чей сын? — Голоколенцев». Сегодня фамилия встречается нечасто, но сохранилась в тех же регионах, а также у потомков переселенцев на Урал и в Сибирь.