Фамилия Костяненко — характерный пример украинской фамилии, образованной по продуктивной модели. Её основа — Костян, а суффикс -енко указывает на происхождение от отца: буквально «сын Костяна». Если искать русский аналог, то это фамилии на -ов (Костянов), но в украинской традиции суффикс -енко был основным способом обозначения потомства, особенно в казацкой среде.

Само имя Костян — это народная, разговорная форма от канонического имени Константин. Уменьшительные варианты Костя, Костюк, Костян были широко распространены на Украине и в южных русских землях. Имя Константин (от латинского constans — «постоянный, стойкий») давали в честь римских и византийских императоров, в православии оно почитается как имя святого равноапостольного Константина Великого. Таким образом, Костяненко — это «внук» или «сын» того, кого в быту звали Костяном.

Географически фамилия Костяненко наиболее частотна в центральных и южных областях Украины, особенно в Полтавской, Черкасской и Киевской. В России она встречается реже, в основном в регионах, граничащих с Украиной, или среди потомков переселенцев XIX–XX веков. В дореволюционных переписях эта фамилия почти не фиксировалась за дворянами — её носителями были в основном крестьяне и казаки.

Стоит отметить, что в ономастике существует редкая версия, связывающая основу Костян не с именем, а с диалектным словом «костяник» (вид лесной ягоды или же костяной гребень). Но эта гипотеза слаба: прозвища от растений или предметов в украинских фамилиях встречаются, однако для фамилии с суффиксом -енко, который почти всегда патронимичен, гораздо правдоподобнее имя Константин.

Если сравнивать Костяненко с однокоренными фамилиями, то Костюченко и Костенко образованы от других форм того же имени (Костюк, Костец). Костяненко стоит в этом ряду как форма, сохранившая более архаичный вариант основы, сходный с белорусским и польским произношением.