Фамилия Пензелик — редкая, и её происхождение не лежит на поверхности. Скорее всего, она образована не от географического названия Пенза, а от прозвища или профессии. Основа «пензел» — это диалектный или устаревший вариант слова «пензель» (кисть для рисования или малярных работ). В южнорусских и украинских говорах «пензель» закрепилось именно в таком произношении, а фамилия Пензелик могла означать «сын (или потомок) того, кто работал с кистью» — художника, иконописца или маляра.

Суффикс -ик указывает на уменьшительно-ласкательную или патронимическую форму, что характерно для украинской и южнорусской ономастики. В польской традиции аналогичный суффикс -ik также часто образовывал фамилии от названий профессий. Таким образом, Пензелик — это, скорее всего, «маленький маляр» или «сын маляра», то есть потомок человека, чьё ремесло было связано с кистью.

Версия о связи с городом Пенза менее убедительна: для образования фамилии от названия города обычно используются суффиксы -ов/-ев или -ин (Пензин, Пензов), а суффикс -ик в этом случае встречается редко и только если название было переосмыслено как прозвище. Например, человека, приехавшего из Пензы, могли в шутку назвать «пензелик», но это уже вторичное значение.

Поскольку фамилия нечастотная, её носители, вероятно, происходят из регионов, где было развито иконописное или малярное дело — это может быть Украина, Белоруссия или юг России. Встречаются также варианты написания Пензель и Пензельман, что подтверждает связь с ремеслом. Ударение, скорее всего, падает на первый слог: Пе́нзелик.