Фамилия Гребеннюков — редкий случай, когда основа слова сохранила двойную букву «н», что сразу выделяет её среди однокоренных. Чаще встречаются фамилии Гребенников, Гребенщиков, Гребенюк. Удвоение «н» в Гребеннюкове не случайно: оно указывает на суффикс -юк-, характерный для украинской и южнорусской ономастики. Схема образования выглядит так: сначала от слова «гребень» (инструмент для расчёсывания или деталь ткацкого станка) образовали прозвище Гребенюк, а затем к нему добавили русский патронимический суффикс -ов. Получилось «Гребенюков», но на письме закрепилось двойное «н» — возможно, под влиянием просторечного произношения или путаницы с более распространённой фамилией Гребенников.

Сам корень «гребен-» отсылает к ремеслу. Предок носителя фамилии мог быть гребенщиком — мастером, который делал деревянные гребни для волос или чесальные гребни для обработки льна и шерсти. В старину это было отдельное и довольно востребованное занятие. Однако не стоит исключать и вариант прозвища по внешности: «гребень» на Руси называли также петушиный гребень, так что прозвище Гребенюк мог получить человек с пышным хохлом на голове или с задиристым характером.

Географически фамилия тяготеет к югу России и Украине. Суффикс -юк- типичен для украинских фамилий (сравните: Ковальчук, Гончарук, Гребенюк), а добавление -ов — это обрусение, характерное для переселенцев или казаков, которые оказались под влиянием великорусской административной системы. В современных справочниках Гребеннюков встречается редко, чаще всего в Курской, Белгородской и Воронежской областях — на стыке русского и украинского языковых миров.

С точки зрения словообразовательной модели, фамилия интересна ещё и тем, что в ней совмещены два разных способа: сначала уменьшительно-ласкательный или прозвищный суффикс -юк, а затем фамильный -ов. Это нехарактерно для классических русских фамилий, где -ов обычно присоединяют к основе на согласный (Гребенник → Гребенников). Здесь же основа на -юк, что говорит о более позднем закреплении фамилии через документы, когда писарь мог механически приписать «ов» к уже существующей украинской фамилии Гребенюк.