Фамилия Пеньковцев строится по редкой для русских фамилий модели. Самый частый суффикс — -ов/-ев, а здесь мы видим сложный суффикс -цев, который обычно указывает на принадлежность к месту или группе людей, названных по какому-то признаку. В данном случае основа — «Пеньков» — это либо фамилия, либо прозвище, либо топоним. То есть Пеньковцев — это буквально «сын Пенькова» или «выходец из Пеньково». Такая модель характерна для южнорусских и украинских земель, где фамилии на -цев встречаются заметно чаще, чем на севере.

Сама основа «Пеньков» восходит к слову «пенёк» — уменьшительному от «пень». Прозвище Пень или Пенёк в старину давали человеку приземистому, коренастому, либо упрямому, «как пень». В некоторых говорах «пень» означало ещё и бестолкового, неповоротливого человека, но это скорее более позднее переносное значение. Не исключено, что предок Пеньковцевых жил на месте вырубленного леса — на пеньках, или владел участком, расчищенным от пней. В ономастике слово «пень» дало много фамилий: Пеньков, Пеньковский, Пенёв, Пенкин — и Пеньковцев стоит в этом ряду как вариант с дополнительным суффиксом.

Вероятнее всего, фамилия образована от имени или прозвища Пенько, которое было широко распространено в XVI–XVII веках. В документах встречаются, например, крестьянин Пенько в новгородских землях или казак Пенько на Дону. От Пенько сначала пошла фамилия Пеньков (чей? — Пенькова сын), а от неё, в свою очередь, Пеньковцев — уже как указание на принадлежность к роду Пеньковых. Такая цепочка типична для фамилий, фиксировавших не прямое прозвище, а родовую принадлежность через отчество второго порядка.

Географически фамилия Пеньковцев тяготеет к центральным и южным областям России, особенно к Воронежской, Курской, Белгородской губерниям. В этих краях часто встречаются сёла с названием Пеньково, Пеньки, откуда жители и получали прозвание Пеньковцевы — то есть «переселенцы из Пенькова». В переписях XIX века носители фамилии числятся в основном государственными крестьянами и однодворцами, что подтверждает её непривилегированное, народное происхождение.

Фамилия не имеет отношения к дворянским родам и не фиксируется в родословных книгах, что типично для «прозвищных» фамилий с прозрачной основой. Её носители — потомки крестьян или посадских людей, чьё прозвище закрепилось в документах при введении обязательных фамилий в XVIII–XIX веках.