Фамилия Мархоленко — характерный пример украинской фамилии, образованной по продуктивной модели с суффиксом -енко. В украинской ономастике этот суффикс, родственный русскому -евич, указывал на отчество или принадлежность к роду: Мархоленко буквально означает «сын Мархола» или «потомок Мархола».

Корень фамилии — личное имя или прозвище Мархол. Здесь возможны два объяснения. Первое и самое вероятное: Мархол — это фонетический вариант имени Маркел (Марк) через старую украинскую или белорусскую адаптацию. В народной речи звук «к» перед «л» мог переходить в «х» (сравните: Маркел → Мархол). Имя Маркел восходит к латинскому Marcellus — уменьшительной форме от Marcus (Марк), что значит «молоток» или «посвящённый богу Марсу». Второй вариант: Мархол — прозвище от диалектного слова «мархол» или «марха», которое в некоторых говорах означало «тень», «призрак» или нечто неясное, но эта версия менее обоснована и не подкреплена словарными источниками.

Географически фамилия Мархоленко тяготеет к центральным и восточным областям Украины, особенно к Полтавщине и Черкащине — регионам, где суффикс -енко был основным способом формирования фамилий в XVII–XVIII веках. В России эта фамилия встречается реже и чаще всего у потомков переселенцев с Украины.

С социальной точки зрения, Мархоленко — типичная фамилия казацкого или крестьянского сословия. В реестрах Войска Запорожского и метрических книгах XVIII века такие фамилии на -енко фиксировались у рядовых казаков и мещан. Знатных родов с этой фамилией не известно, что подтверждает её демократическое происхождение. В современной Украине фамилия нередкая, но не массовая — носители сосредоточены в нескольких областях.

В написании возможны варианты: Мархоленко и реже Мархоленко (с ударением на второй слог), что не меняет сути. Однокоренные фамилии — Мархол, Мархолевский, Мархоленков (русифицированная форма) — встречаются спорадически. Сравнение с ними показывает, что именно вариант на -енко закрепился как самый распространённый.