Фамилия Костюренко образована по распространённой в украинской и южнорусской ономастике модели с суффиксом -енко. Этот суффикс, изначально указывавший на «малого», «сына» или «потомка», превратил личное имя или прозвище в фамилию. В основе лежит имя Костюра — уменьшительно-пренебрежительная или, скорее, обиходная форма от канонического имени Константин (через промежуточные варианты Костя, Костус, Костюк). В украинской народной традиции имена с суффиксом -юра (как Петюра, Стецюра, Костюра) часто давали младшим детям или использовали в быту для обозначения человека без особого оттенка уничижения, скорее как фамильярно-ласковое.

Таким образом, Костюренко — это «сын Костюры», то есть потомок человека, которого в округе звали просто Костюрой. Фамилия типична для центральных и восточных областей Украины, особенно для Полтавщины, Черкасщины и Слобожанщины, где суффикс -енко в XVII–XVIII веках стал массово вытеснять старые родовые прозвища. В Российской империи после ревизий и приписки казаков к сословиям фамилия могла закрепиться за крестьянами и мещанами, но её казацкое происхождение вполне вероятно: среди реестровых казаков Войска Запорожского фамилии на -енко встречаются сплошь и рядом.

Любопытно, что в отличие от фамилии Костюк (где основа — Костюк) или Костенко (основа — Кость), вариант Костюренко встречается реже. Это указывает на более узкую локальную традицию: имя Костюра не было повсеместным, а бытовало в определённых говорах. В белорусском языке, например, «касцюра» могло означать и «костер», но для фамилии это маловероятная основа — суффикс -енко нехарактерен для белорусской модели, поэтому версия с именем Константин остаётся основной.

Дворянских родов с фамилией Костюренко в дореволюционных родословных книгах не зафиксировано: это однозначно крестьянская или казацкая фамилия, которая не попала в элиту. В советское время носители фамилии расселились по всей территории бывшего СССР, но наибольшая концентрация по-прежнему в Украине.