Фамилия Гребенцов — это классический пример «патронимической» фамилии, образованной от прозвища с уменьшительным суффиксом. В основе лежит прозвище Гребенец, которое, в свою очередь, является уменьшительной формой от прозвища Гребень. Если говорить просто: Гребенец — это «маленький Гребень» или, что вероятнее, сын человека по прозвищу Гребень. Такой способ словообразования (основа + суффикс -ец) был распространён в русской ономастике, чтобы различать отца и сына в одной семье.

Само прозвище Гребень не стоит сводить только к расчёске. В старину «гребнем» называли десятки вещей, и это даёт широкий простор для реконструкции занятий предка. Он мог быть ремесленником, изготовлявшим гребни для волос или для чесания льна и пеньки. Но мог быть и рыбаком, бившим рыбу зубчатой острогой (её тоже называли гребнем), или плотником, использовавшим железный болт с нарезкой (гребень) для упора при стругании. Не исключено и прозвище по характеру или внешности — «гребнем» в диалектах называли задиристого, «ершистого» человека.

Фамилия Гребенцов закрепилась по стандартной модели: к основе Гребенец добавили патронимический суффикс -ов, означающий «чей?» — то есть «сын Гребенца». При этом суффикс -ец при склонении даёт форму родительного падежа «Гребенца», от которой и пошла фамилия. Это отличает её, например, от фамилии Гребенщиков, где прямо указано на занятие (гребенщик — мастер по гребням), или от фамилии Гребенев, образованной от более древней формы без уменьшительного суффикса.

Географически фамилия тяготеет к центральным и северным регионам России, где было развито льноводство и, соответственно, ремесло по изготовлению гребней для обработки льна. Встречается она относительно редко, что говорит о локальном происхождении — возможно, от одного конкретного рода, где прозвище Гребенец закрепилось за основателем.