Фамилия Кочаленко образована по распространённой в украинской и южнорусской ономастике модели с суффиксом -енко. Этот суффикс в XVI–XVII веках был показателем патронимии (сын такого-то) или принадлежности к определённому роду, а позже закрепился как типично украинская фамильная форма. В основе фамилии лежит прозвище или мирское имя Кочал. Корень здесь — «коч-», который в южных говорах имеет несколько значений.

Самая вероятная версия связывает фамилию с диалектным словом «коча» — так в украинских и белорусских говорах называли кочерыжку (капустную кочерыгу), а также коротышку, плотного человека. Прозвище Кочал могли дать человеку невысокого роста и коренастого телосложения — по аналогии с крепкой кочерыжкой. Менее распространённая, но тоже возможная версия — от глагола «кочать» (качать, колебать) или «кочаться» (качаться, шататься). Тогда Кочалом называли неуверенно держащегося на ногах человека либо, напротив, того, кто любил раскачиваться в седле или на ходу.

Суффикс -ал- в основе (Кочал) характерен для прозвищ, описывающих внешность или манеру поведения: он придаёт слову оттенок просторечия и фамильярности. Сравните: Качал, Ломал, Скакал. Фамилия Кочаленко, таким образом, означает «потомок Кочала» или «сын Кочала». Географически она тяготеет к центральной и восточной Украине, а также к приграничным районам России (Курская, Белгородская, Воронежская области), где в XIX веке активно оседали украинские переселенцы.

Среди однокоренных фамилий — Кочалов, Кочалкин, Кочаловский. От варианта с другим суффиксом — Кочаненко — фамилия Кочаленко отличается не только произношением, но и более прозрачной этимологией: вторая форма могла возникнуть от имени или прозвища Коч (от «кочевать»), а первая — именно от прозвища с корнем «коч-» в значении «коротышка» или «кочерыжка». Сословного барьера фамилия не имела: её могли носить и крестьяне, и казаки, и мещане.