Фамилия Пенёнкова — женская форма мужской фамилии Пенёнков. Её основа — прозвище или нецерковное имя Пенёк. В русской ономастике это нередкий случай: прозвища по сходству с предметом или животным давали либо по внешности (коренастый, приземистый человек), либо по черте характера (человек «крепкий, как пень», то есть упрямый или неподвижный). Вторая версия — профессиональная: так могли прозвать того, кто занимался выкорчёвкой пней, расчищал землю под пашню. В северных и центральных губерниях России это был распространённый промысел, и фамилии на -ов/-ев от таких занятий встречаются часто.

Суффикс -ёнк- в основе (Пенёнков) — нестандартный. Обычно фамилии образовывались напрямую от прозвища: Пень → Пенёв, Пеньков. Форма Пенёнков, скорее всего, возникла от уменьшительного Пенёк через суффикс -ов: Пенёк → Пенёнков. Такая модель встречается реже, но фиксируется в документах XVII–XVIII веков, когда фамилии ещё не устоялись и могли варьироваться в пределах одной семьи. В говорах слово «пенёк» могло означать не только маленький пень, но и коротышку, а также — в переносном смысле — человека, который «застрял» на одном месте.

География фамилии Пенёнков (и Пенёнкова) тяготеет к центральной России и Поволжью: есть записи в Тверской, Ярославской, Костромской губерниях. Встречается также в украинских и белорусских землях, где суффикс -ёнк- мог быть адаптацией местной модели (ср. украинские фамилии на -енко). Однако русское происхождение более вероятно: окончание -ов типично для великорусских фамилий, а не для украинских, где преобладает -енко без суффикса -ов.

Сословно Пенёнковы — почти наверняка крестьяне или однодворцы. Фамилия не встречается в родословных книгах дворянства, а её «ремесленная» основа указывает на низкое социальное происхождение. В переписных книгах XVII века прозвище Пенёк или Пенок фиксируется у крестьян и посадских людей. Например, в архивах есть запись о крестьянине Пенке из деревни под Суздалем (1628 год). Прямой связи с фамилией Пенёнкова нет, но это показывает, насколько стара и естественна для русской деревни основа «пень».

Сегодня фамилия редкая. В современных телефонных справочниках и базах данных она встречается единично, в основном в Центральном федеральном округе. Из-за нестандартного суффикса её иногда путают с фамилией Пененков (без ё), хотя на письме различие сохраняется. Носительница фамилии Пенёнкова может с уверенностью сказать, что её предки — люди, связанные с землёй, лесным хозяйством или получившие прозвище по внешности.