Фамилия Гребенцовы — классический пример «второй волны» русских фамилий, образованных не напрямую от прозвища, а от его уменьшительной формы. В основе лежит прозвище Гребенец, что буквально означает «маленький Гребень». Такая модель с суффиксом -ец была распространена в северных и центральных русских говорах: сперва существовало прозвище Гребень, а его сына или младшего родственника уже звали Гребенец. Со временем фамилия закрепилась за потомками именно этого младшего — Гребенцовы.

Прозвище Гребень — одно из типичных «ремесленных» именований. Гребни в старину не только расчёсывали волосы. Этим словом называли: - деревянный снаряд для расчёсывания льна и пеньки; - зубчатую острогу для рыбной ловли; - железный болт с нарезкой, служивший упором при столярных работах; - инструмент для нарезки винтов.

Таким образом, предок Гребенцовых мог быть гребенщиком — мастером по изготовлению гребней, либо плотником, рыбаком или оружейником, в чьём деле использовался инструмент с тем же названием. Выделить одну профессию сложно: прозвище Гребень в разное время и в разных местностях давали за разные занятия.

Фамилия Гребенцов встречается заметно реже, чем однокоренные Гребенев или Гребенщиков. Это говорит о том, что она сформировалась в более узком локальном ареале — скорее всего, на Русском Севере или в Поволжье, где суффикс -ец в прозвищах был особенно употребителен. В документах XVII–XVIII веков можно встретить крестьян и посадских людей с именем Гребенец, но массовое закрепление фамилии произошло уже после отмены крепостного права, когда паспортизация охватила все сословия.