Фамилия Пастернакова — женская форма от мужской Пастернаков, и её разбор стоит начать не с корня, а с суффикса. Модель образования простая: основа «пастернак» плюс типичный русский фамильный суффикс -ов, который указывает на принадлежность: «сын Пастернака». Женская форма на -а появилась как естественное грамматическое окончание при передаче фамилии по женской линии. Сама основа — прозвище или мирское имя Пастернак, которое в старину давали не от овоща в современном огородном смысле, а от дикого растения — пастернака, известного на Руси с XVI века. В народе его называли ещё «полевой борщ» или «козелки», и прозвище могло закрепиться за человеком, который либо выращивал эту культуру, либо торговал ею, либо просто имел внешнее сходство — скажем, светлые волосы или коренастую фигуру.

В отличие от фамилий на -ин, которые чаще образовывались от имён на -а/-я (Пастернакин было бы от Пастернаки), форма на -ов указывает на основу, оканчивающуюся на твёрдый согласный. Это одна из самых массовых моделей в русской ономастике, поэтому географию фамилии определить сложно: Пастернаковы встречаются и в центральных областях, и на юге, где пастернак как огородное растение был более распространён. Любопытно, что в дореволюционных переписях эта фамилия нередко соседствовала с такими же «растительными» — Репников, Морковкин, Свеклов — что указывает на крестьянское или мещанское происхождение.

Спорных версий у фамилии немного. Иногда её пытаются связать с немецким Pastinak или польским pasternak, но это лишь заимствования одного корня, а не указание на национальность носителя. Правдоподобнее всего — русское бытовое прозвище, которое закрепилось в документах XVII–XVIII веков, когда фамилии начали массово оформляться у крестьян и посадских людей. В словаре Б. Унбегауна «Русские фамилии» подобные образования описываются как типичные для «огородного» пласта прозвищ, хотя сам пастернак Унбегаун не разбирает отдельно.