Фамилия Нестренко — яркий пример украинской словообразовательной модели на -енко, характерной для Поднепровья и Левобережной Украины XVII–XVIII веков. Суффикс -енко в те времена означал «маленький» или «сын такого-то», то есть Нестренко — буквально «сын Нестра». Основа здесь — имя или прозвище Нестр, которое само по себе заслуживает отдельного разбора.

Самая вероятная версия: Нестр — это сокращённая форма от канонического христианского имени Нестор (греч. Νέστωρ — «вернувшийся домой»). В народной речи имя Нестор часто укорачивалось: Нестер, Нестёр, Нестр. Отсюда и пошли фамилии Нестеров, Нестеренко, а также Нестренко. В украинской среде усечение основы до Нестр- и добавление -енко дало именно эту форму. Менее вероятно, но возможно, что Нестр — самостоятельное прозвище, связанное с диалектным словом «нестрий» (капризный, упрямый) или с глаголом «нести» (в значении «носить, таскать»), но доказательств у этих гипотез мало.

Географически фамилия Нестренко тяготеет к центральным и восточным областям Украины: Черкасская, Полтавская, Киевская, Днепропетровская области. В России она встречается реже, обычно в южных регионах и на Кубани, куда переселялись украинские казаки. Сословно предки Нестренко могли быть как казаками, так и крестьянами — суффикс -енко не указывает на знатность, он был распространён во всех слоях украинского общества.

Сравнение с однокоренными фамилиями показывает, что Нестренко — более редкая форма, чем Нестеренко или Нестеров. В то время как Нестеренко образовано от полной основы Нестер (с мягким знаком), Нестренко — результат дальнейшего сокращения. Эта деталь и отличает фамилию: она не просто указывает на сына Нестора, а передаёт именно ту народную, разговорную форму имени, которая бытовала в конкретной местности.