Фамилия Пеньчук строится по той же словообразовательной модели, что и многие украинские и белорусские фамилии на -чук. Суффикс -чук в этих языках — один из самых распространённых патронимических (указывающих на родство) формантов. Первоначально он обозначал «сына» или «ученика»: Пеньчук — это буквально «сын Пеня» или «маленький Пень». Основа здесь — прозвище Пень, а не слово «пень» в прямом значении, хотя связь очевидна.

Прозвище Пень в старину давали человеку за какие-то качества: либо за коренастость, устойчивость и «неподъёмность» (как пень, который трудно выкорчевать), либо за упрямство и медлительность. В некоторых говорах «пень» могло означать и просто глуповатого, бестолкового человека, но в основе прозвища чаще лежала физическая характеристика — крепкий, приземистый, основательный. Не исключён и вариант происхождения от мирского имени Пень: дохристианские имена из названий предметов и растений были обычным делом.

Географически фамилия Пеньчук почти наверняка имеет украинские или юго-западные русские корни. Ареал фамилий на -чук плотно охватывает Волынь, Подолье, Галицию и прилегающие районы Беларуси. Если бы фамилия образовывалась в великорусских землях, она скорее приняла бы форму Пеньков (с суффиксом -ов, указывающим на принадлежность). Пеньчук же — типичный пример западнорусской ономастической модели, где патроним на -чук вытеснил более древние формы.

Редкость фамилии в том, что она не перешла в разряд «прозрачных» — то есть её значение легко восстанавливается, но носители редко задумываются, что их предок мог носить прозвище, связанное с пнём как с символом основательности или, наоборот, неповоротливости. В документах XVI–XVII веков прозвище Пень встречается у казаков и крестьян Черниговщины и Киевщины, а вот фамилия Пеньчук в письменных источниках начинает фиксироваться позже, в основном с XVIII века, когда окончательно закрепилась модель фамилий-патронимов.