Фамилия Карпеенко — яркий пример украинской модели фамилии на -енко. По данным ономастов, в частности Бориса Унбегауна, суффикс -енко (в старом написании -енко) в XVII–XVIII веках был самым продуктивным в Поднепровье и на Левобережной Украине. Первоначально он означал «маленький» или «сын»: Карпеенко — буквально «сын Карпея» или «маленький Карпей».

Основа фамилии — имя Карпей. Это народная, разговорная форма канонического крестильного имени Карп. Имя Карп греческого происхождения, от слова «карпос» — плод. В православных святцах оно встречается нечасто, но было довольно популярно в украинской и белорусской среде, где давало множество производных: Карпенко, Карпович, Карпюк. Карпеенко — одна из таких патронимических форм, где к основе Карпей добавился характерный суффикс.

Географически фамилия тяготеет к Полтавщине, Черниговщине и Киевщине — регионам, где фамилии на -енко составляют до 60% всех родовых имен. В России и Беларуси фамилия встречается реже, обычно как след переселенческих волн XIX–XX веков. Интересно, что в некоторых говорах ударение могло падать на второй слог — Карпе́енко, что отличает её от более частотной фамилии Карпе́нко.

Сословно носители фамилии в основном были казаками или крестьянами. Дворянских родов с фамилией Карпеенко в «Бархатной книге» или «Общем гербовнике» не зафиксировано. Однако в ревизских сказках и метрических книгах XVIII–XIX веков фамилия встречается у казацкой старшины и зажиточных мещан, что говорит о неоднородном социальном составе.

В написании фамилии возможны варианты: через одно «е» (Карпенко) или с двойным (Карпеенко). Второй вариант — результат фиксации произношения, где после корневого «п» слышится йот. В современных документах чаще встречается именно двойное написание, хотя этимологически верным было бы Карпенко.