Фамилия Мастименко — украинская по своей словообразовательной модели. Суффикс -енко (в старых формах часто -енкo, без ударения на окончании) — один из самых распространённых в восточной Украине. Он указывает на происхождение по отцу: буквально «сын», «потомок» или «ученик» того, кто назван в основе. То есть Мастименко — это «сын Мастимы» или, что вероятнее, «сын Мастима».

Самое интересное — основа Мастим-. Это не типичное крестильное имя и не очевидное прозвище от профессии. Скорее всего, перед нами вариант прозвища Мастима или Мастий, которое могло возникнуть от глагола «мастити» (мазать, смазывать, натирать). В украинском языке «мастити» означает и «мазать маслом», и «угощать», и «подмазывать» (в переносном смысле). Носитель такого прозвища мог быть маляром, смазчиком колёс, бондарем (кто мазал бочки), либо человеком, который любил «помазать» — то есть угостить, задарить.

Есть и вторая, менее очевидная версия: основа могла быть искажённой формой от «Мастин» или «Мастюк» — уменьшительных от редкого крестильного имени Мастидий (греческого происхождения, от «мастикс» — бич, кнут). Имя это встречалось у греческих святых, но в народной среде на Украине почти не прижилось, поэтому версия с прозвищем выглядит убедительнее.

Географически фамилия Мастименко тяготеет к центральным и восточным областям Украины, особенно к Черкасской и Полтавской. Там суффикс -енко был основным способом образования фамилий у казаков и крестьян в XVI–XVII веках. В российских переписях эта фамилия встречается редко — её можно считать почти стопроцентным маркером украинского происхождения рода.

Сословно предки Мастименко, скорее всего, были не шляхтой и не духовенством, а казаками или свободными крестьянами. Фамилия не перегружена книжными элементами, она бытовая, «ремесленная» — что подтверждает её происхождение из среды простых людей, которых называли по занятию или повадке.