Фамилия Пенцева — женская форма, а её мужской вариант Пенцев. В основе, скорее всего, лежит не имя, а прозвище или географическое название, что делает эту фамилию более редкой по происхождению, чем, скажем, отчества от крестильных имён.

Разберём словообразовательную модель. Суффикс -ев указывает на принадлежность («чей сын?» — Пенцев). Корень «пенц-» мог возникнуть от слова «пенец» или «пенца». В северных и центральных говорах «пень» — это не только остаток спиленного дерева, но и прозвище упрямого, коренастого или невысокого человека. Уменьшительная форма «пенёк» дала бы фамилию Пеньков, а вот «пенц-» — это редкий вариант с суффиксом -ец: «пенец» могло означать «живущий у пня» или «похожий на пень». Такая модель (основа + -ец + -ев) встречается нечасто, что сразу выделяет Пенцевых из ряда «простых» фамилий.

Вторая, не менее правдоподобная версия — топонимическая. Фамилия могла произойти от названия населённого пункта: в России есть несколько деревень с названием Пенцево (например, в Костромской и Вологодской областях). В этом случае предок получил фамилию по месту жительства или выхода — «Пенцев» значит «выходец из Пенцева». Такие «местные» фамилии часто оставались односложными и не меняли форму веками.

Спорный вариант — связь с польским или белорусским словом «пеньць» (петь) или «пенц» (пять). Это маловероятно: для фамилий, образованных от числительных, обычно использовались полные формы (Пятов, Шестаков). А глагольная основа «петь» дала бы фамилию Певцов или Пенцов с другим ударением.

Таким образом, наиболее вероятно, что Пенцевы — потомки человека по прозвищу Пенец (крепкий, коренастый, «как пень») либо выходцы из одной из деревень Пенцево на Русском Севере. Фамилия недворянская, крестьянская или мещанская, что подтверждается её отсутствием в старых родословных книгах. Встречается она в основном в центральной России и Поволжье, но массовой не стала — носителей немного, и это тоже говорит в пользу узкого локального происхождения.