Фамилия Гребеннюкова — женская форма от Гребеннюков, и в её основе лежит не столько ремесло, сколько прозвище. Корень — «гребен(ь)», но суффикс «-юк» выдаёт южнорусское или украинское происхождение. В великорусских фамилиях чаще встречается Гребенников (от «гребенщик» — мастер, делавший гребни), а форма на «-юк» типична для западнорусских земель, где так называли не мастера, а человека с каким-то характерным признаком: например, «Гребенюк» — обладатель густого, как гребень, чуба или тот, кто носил гребень в волосах.

Вторая часть фамилии — суффикс «-ов» — указывает на принадлежность: Гребеннюков буквально значит «сын Гребенюка». Двойное «н» в корне — результат фонетического удвоения, которое нередко возникало в документах при склонении: форма «Гребенюк» в родительном падеже даёт «Гребенюка», а от него — «Гребенюков». Позже написание могло закрепиться с двумя «н» под влиянием слова «гребень» или просто как орфографическая опечатка, ставшая нормой.

Искать точную географию фамилии сложно из-за её относительной редкости, но наиболее вероятны области, где пересекались русские и украинские говоры: Курская, Белгородская, Воронежская, а также юг Украины. В отличие от фамилии Гребенников, которая могла принадлежать и крестьянину, и посадскому ремесленнику, форма Гребеннюков чаще фиксировалась среди крестьянского населения — прозвища там держались дольше и реже переходили в официальные фамилии через «-ский».

Иногда фамилию ошибочно связывают с глаголом «гребенюкать» (говорить невнятно), но это диалектное слово позднего происхождения и вряд ли связано с основой. Более правдоподобно, что предок носителя фамилии выделялся среди односельчан либо причёской, либо тем, что постоянно носил с собой гребень — в быту вещь полезную, но не настолько распространённую, чтобы стать прозвищем без особой причины.