Фамилия Грезенталь — редкий пример фамилии, которая с высокой вероятностью не является исконно русской по происхождению, а пришла из немецкой или еврейской (ашкеназской) традиции. Её основа — немецкое слово «Gresen» или «Grasen» (пастбище, трава) и «Tal» (долина). Таким образом, буквальное значение — «долина пастбищ» или «травяная долина». Это типичная немецкая топонимическая фамилия, образованная от названия места проживания: предок носителя жил в местности с таким названием или владел там землёй.

Модель образования прозрачна: сложение двух корней без суффикса, что характерно для немецких фамилий-композитов. В русском языке фамилия сохранила исходное написание, но получила русское окончание, которое в именительном падеже мужского рода нулевое, а в речи склоняется по правилам существительных второго склонения. Важно: если фамилия принадлежит женщине, она не склоняется (Анна Грезенталь), у мужчин склоняется (Ивана Грезенталя).

В России такая фамилия могла появиться в XVIII–XIX веках во время приглашения немецких колонистов или в среде еврейского населения, которое часто брало немецкоязычные фамилии при записи в метрические книги. В этом контексте Грезенталь — искусственная или «красивая» фамилия, образованная по той же модели, что и Розенталь, Гольденталь, Зильберталь. Спорных версий у неё практически нет: славянской этимологии (от «грези́ть» или «греза») не прослеживается, так как суффикса -таль в русском языке не существует, а корень «греза» не даёт географической привязки, которую даёт немецкое «Tal».

Географически фамилия встречается разрозненно, без явного гнезда в одном регионе, что подтверждает её позднее появление в России — скорее всего, в результате миграций XIX века. Социальный статус предков мог быть разным: от крестьян-колонистов до ремесленников и торговцев. Отличительная деталь, которая выделяет эту фамилию среди десятка похожих, — отсутствие в ней русифицирующих суффиксов (-ов, -ин). Это указывает на то, что носители не стремились адаптировать фамилию под русскую модель, а сохранили её в исходном виде, что редко для длительного бытования в русскоязычной среде.