Фамилия Костиренко образована по типичной для украинской ономастики модели с суффиксом -енко, который в XVI–XVII веках закрепился как обозначение потомка («сын такого-то»). В основе лежит либо имя Кость (уменьшительная форма от Константин), либо прозвище Костир. Первый вариант очевиден: Костиренко — буквально «сын Кости». Но есть и другая версия, более редкая, но заслуживающая внимания. В южных и западных говорах «костир» или «костира» могло означать человека, который костит — бранится, ругается, или же того, кто занимается костоправством, вправляет кости. В словаре Владимира Даля «костить» значит «бранить, журить, поносить», а в украинском языке «костити» — то же самое. Так что предок мог получить прозвище за острый язык или, наоборот, за ремесло костоправа.

Географически фамилия тяготеет к центральным и восточным областям Украины — Полтавщине, Черкащине, Киевщине, а также встречается на юге России в регионах, куда переселялись украинские крестьяне в XIX веке. Сословно Костиренко — типичная казацкая или крестьянская фамилия, без дворянского корня. В реестрах Запорожского войска встречаются схожие прозвища, хотя сама фамилия в старых документах фиксируется поздно, в основном в метрических книгах XVIII–XIX веков.

С точки зрения словообразования интересна разница с фамилиями Костенко, Костин, Костюченко. Костиренко — менее распространённый вариант, где суффикс -енко присоединён не напрямую к имени Костя, а через промежуточную основу Костир. Это говорит о том, что прозвище или имя отца уже имело суффикс -ир, который в украинской народной речи мог означать деятеля (ср. «косити» — косар, «палити» — палир). То есть Костиренко — это «внук» или «сын Костира», а не просто «сын Кости». Такая деталь делает фамилию более индивидуальной на фоне десятков тысяч однокоренных «Костенко» и «Костиных».

В современной России фамилия редкая, её носители в основном сосредоточены в Ростовской области, Краснодарском крае и в Москве как потомки переселенцев. В украинских переписях начала XX века она встречается эпизодически.