Фамилия Костроменков образована от прозвища или имени Костроменок, а то, в свою очередь, — от топонима Кострома. В русской ономастике это классический случай «географической» фамилии: так называли человека, который пришёл с берегов Волги, из города Костромы или окрестных земель. Суффикс -енок (в современном написании -ёнок) в северных и центральных говорах указывал на молодого человека или выходца: костроменок — «тот, кто родом из-под Костромы». Позже, при оформлении фамилии, к основе добавили патронимический суффикс -ов, и Костроменков стал означать «сын Костроменка», то есть потомок переселенца из Костромского края.

Интересна словообразовательная цепочка: если бы фамилия образовалась напрямую от названия города, мы бы получили Костромин или Костромитинов. Но модель с -енок встречается реже и выдаёт не столько горожанина, сколько жителя более широкой местности — Костромской губернии или уезда. В документах XVII–XVIII веков слово «костроменок» действительно фиксируется как прозвище крестьян и посадских, ушедших на новые земли. Это значит, что предок носителя фамилии, скорее всего, был не коренным жителем Костромы, а выходцем оттуда, осевшим в другом регионе — например, на юге, в Черноземье или Поволжье.

Ударение в фамилии обычно падает на второй слог: Костроме́нков. Вариант с ударением на «о» (Ко́строменков) встречается, но реже и считается диалектным. Фамилия не относится к числу распространённых: она сосредоточена в основном в центральной России, особенно в Нижегородской и Владимирской областях, что косвенно подтверждает версию о миграции костромичей на восток. Встречаются также формы Костроменко и Костроменковский, но Костроменков — самая устойчивая и исторически сложившаяся.

Версия о происхождении от личного имени Кострома (языческого, связанного с обрядом «похороны Костромы») возможна, но менее вероятна: такие имена давали редко, и от них обычно образовывали фамилии через суффикс -ин (Костромин). Для Костроменкова географическая основа — основная и самая надёжная.