Фамилию Павлуненко стоит рассматривать в ряду украинских фамилий на -енко. Эта модель — одна из самых продуктивных в украинской ономастике, особенно на Левобережье и в Слобожанщине. Суффикс -енко исторически указывал на сына или потомка, то есть Павлуненко — буквально «сын Павлуна». В основе лежит имя Павлун, которое является просторечной, уменьшительной формой от канонического крестильного имени Павел (от лат. paulus — «малый», «небольшой»). Такие формы на -ун, -юн в украинском языке часто давали фамилии: скажем, Иван — Иванюк или Иваненко, а Павел — Павлун, отсюда и Павлуненко.

Географически фамилия тяготеет к центральным и восточным областям Украины. Встречается в Черкасской, Полтавской, Киевской, Сумской областях, а также в приграничных районах России, куда фамилия попала в ходе миграций крестьян в XVIII–XIX веках. В России она чаще всего фиксируется в Белгородской, Курской и Воронежской областях — это объясняется общей историей заселения этих земель выходцами из Малороссии.

Обратим внимание на редкую особенность: фамилия образована не от полной формы Павел, а от уже производного Павлун. Это отличает её от массовых Павленко (от Павло) или Павлюченко (от Павлюк). Такое словообразование говорит о том, что родоначальника в быту звали именно Павлуном — ласково или с оттенком пренебрежения. В украинских говорах суффикс -ун мог придавать имени не только уменьшительность, но и указание на характер: например, «крикун», «говорун». Впрочем, в данном случае это скорее обычная семейная форма, без дополнительного значения.

В сословном плане фамилия не указывает на дворянство или казацкую старшину. Большинство носителей Павлуненко были крестьянами или казаками, что типично для фамилий на -енко. В ревизских сказках XIX века такие фамилии часто записывали без окончания на -о, то есть как «Павлуненков» — это русифицированный вариант, который можно встретить в документах. Встречаются и варианты с ударением на второй слог: Павлу́ненко, хотя нормативным считается ударение на третий слог — Павлуне́нко.

Если искать параллели, то фамилия стоит в одном ряду с однокоренными Павлуниным (от Павлуня), Павлухиным (от Павлуха) и Павлушкиным (от Павлушка). Все они восходят к разным уменьшительным формам имени Павел, но модель на -енко остаётся самой характерной именно для украинской традиции.