Фамилия Палюченков образована по модели, характерной для русского Севера и центральных областей: основа плюс суффикс -енков. В этом её главная особенность. В отличие от более распространённого -ов (-ев), суффикс -енков входит в группу «полуотчества»: он указывал не на прямого отца, а на более дальнего предка, часто — на деда или на человека, по прозвищу которого назвали внука. То есть Палюченков — буквально «внук Палюка» или «сын человека из рода Палюка».

Корень фамилии — Палюк. Это, скорее всего, уменьшительная форма от крестильного имени Павел (в обиходе — Паля, Палюк, Палюта). На Руси имя Павел было одним из самых частых, и его производные дали десятки фамилий: Павлов, Павлюков, Палютин, Палюченко. Палюк — характерная для западных и южных говоров форма (ср. украинское Палюк, белорусское Палюк), что указывает на возможное происхождение рода из тех краёв, где имя Павел сокращали именно так.

Менее вероятная, но допустимая версия — связь с диалектным словом «палюк» или «палюга». В некоторых русских говорах так называли палку, кол, жердь. В этом случае прозвище Палюк мог получить человек высокий и худой, как жердь, или, наоборот, тот, кто работал с кольями — ставил изгороди, укреплял берега. Однако версия с именем Павел надёжнее: прозвищные фамилии на -енков редки, а от имён — массовы.

Географически фамилия Палюченков тяготеет к Смоленской, Брянской, Калужской областям и к Беларуси. В этих краях фамилии на -енков встречаются чаще, чем в остальной России, и часто соседствуют с украинскими на -енко. Если предки были крестьянами или мещанами, фамилия могла закрепиться в XIX веке при переписях, когда людям без фамилий давали «уличное» прозвание по деду.

В написании фамилии возможна вариация: Палюченков и Палюченко. Первая — результат обрусения украинской или белорусской основы: к исходному Палюченко добавили русский суффикс -ов, получив Палюченков. Такое «наращивание» часто делали при переезде в центральные губернии или при записи в ревизские сказки, чтобы фамилия звучала привычнее для местного уха.