Фамилия Оловенцева — редкий случай, когда в основе лежит не имя и не ремесло в привычном смысле, а топоним, причём с неочевидной огласовкой. Вопреки первому впечатлению, она не связана ни с оловом (металлом), ни соловьём. Её корень — название реки Оловенка или села Олово в Псковской губернии. Жителей таких мест называли оловенцами, а их потомки получали фамилию Оловенцев (женская форма — Оловенцева). Суффикс -ев- здесь стандартный патронимический, указывающий на принадлежность: «сын оловенца».

Географическая привязка делает фамилию локальной. В псковских и новгородских писцовых книгах XVI–XVII веков встречаются крестьяне и посадские с прозвищем Оловенец — так могли записать человека, переехавшего из Оловской волости. Со временем прозвище закрепилось как фамилия, и суффикс -ц- (оловенец) перешёл в основу, дав Оловенцев.

Вторая, менее вероятная версия связывает фамилию с диалектным словом «оловень» — так в некоторых говорах называли бледного, бесцветного человека (по ассоциации с цветом олова). Но эта гипотеза слабее: топонимическое объяснение подкреплено документами, а прозвище по цвету кожи для такой фамилии — редкость. К тому же в русской ономастике фамилии на -енцев почти всегда указывают на выходцев с определённой территории.

Фамилия недворянская, исконно крестьянская или мещанская. В XIX веке Оловенцевы встречались преимущественно в Псковской, Тверской и Петербургской губерниях — там, куда мигрировали псковские крестьяне. Женская форма Оловенцева появилась естественным путём: от мужской Оловенцев через стандартное склонение. В современной России фамилия редкая, но не исчезнувшая — её носители живут в основном на северо-западе страны.