Фамилия Гребенщукова (а также её мужской вариант Гребенщуков) образована по редкой, но выразительной трёхступенчатой модели: корень — суффикс — суффикс — окончание. Основа «гребен-» восходит к слову «гребень»: расчёска, гребёнка. Первый суффикс «-щик» указывал на профессию или ремесло (ср.: барабанщик, каменщик, сварщик). Второй суффикс «-ов» превращал прозвище или профессиональное название в фамилию, отвечая на вопрос «чей?». Таким образом, Гребенщуков — буквально «сын гребенщика», то есть человека, делавшего или продававшего гребни.

В отличие от более распространённых фамилий Гребнев или Гребёнкин, модель с суффиксом «-щик» встречается реже. Она — прямое свидетельство того, что предок не просто имел отношение к гребню, а занимался этим ремеслом профессионально. В доиндустриальной России ремесло гребенщика было востребовано: деревянные и костяные гребни для волос, а также гребни для чесания льна и шерсти были предметами первой необходимости. Мастеров, которые их вырезали, точили и продавали, называли именно гребенщиками.

Есть и вторая, менее вероятная версия. В некоторых говорах «гребенщиком» могли называть птицу — петуха (по гребню на голове). В этом случае фамилия могла закрепиться за человеком с пышным хохлом на голове или задиристым характером. Однако профессиональное объяснение надёжнее: фамилии на «-щиков» в массе своей указывают на конкретное занятие, а не на внешнее сходство.

Географически фамилия тяготеет к южнорусским и центральным областям, где были развиты промыслы по обработке дерева и кости. Встречается в Воронежской, Тамбовской, Ростовской областях, а также на Кубани. В дореволюционных переписях носители фамилии числились в основном крестьянами и мещанами — людьми, для которых ремесло предка было не отвлечённым прозвищем, а живым семейным преданием.