Фамилия Костыренкова — женская форма, образованная от мужской Костыренков. Это типичная фамилия-«полуотчество» на -енков, распространённая в южнорусских и украинских землях, особенно в бывшей Слобожанщине (нынешние Белгородская, Воронежская, Харьковская области). Суффикс -енков означает «сын» или «потомок»: Костыренков — буквально «сын Костыря».

В основе фамилии лежит прозвище Костырь. В русских говорах «костырь» — это не только кочерга или клюка, но и, по данным словаря Даля, «задира, забияка, сварливый человек». Прозвище могли дать драчуну или человеку с тяжёлым, неуживчивым характером. Однако есть и другая, более мирная версия: в некоторых диалектах «костырь» означал игрока в кости или бабки, то есть азартного человека. Учитывая, что прозвища часто давались по поведению, версия с «забиякой» выглядит правдоподобнее.

Редкость фамилии в том, что она сохранила архаичный суффикс -енков, который в центральной России постепенно вытеснялся более поздними -ов и -ев. Если бы фамилия образовалась в Москве или Новгороде, она звучала бы как Костырев. Форма на -енков указывает на то, что предки носительницы фамилии были выходцами из крестьянской или казачьей среды юга России, где такие «полуотчества» держались дольше всего.

Встречается фамилия и в написании через «а» — Кастыренков, что связано с акающим произношением южнорусских говоров. В документах XVIII–XIX веков оба варианта могли сосуществовать у одной семьи, пока не закрепился единый паспортный вариант.