Фамилия Пенженская — редкий пример, где географическая основа и модель образования вступают в очевидное, но не всегда прямое родство. Сразу видно, что это типичная «-ская» фамилия, указывающая на связь с местностью. Такие фамилии в дворянской среде часто образовывались от названий имений, а в среде духовенства и мещан — от названий сёл и городов, откуда происходил род.

Корень «Пенж-» почти наверняка ведёт к гидрониму Пенза. Река Пенза, приток Суры, дала название городу, а от неё же могли образовать прозвище или фамилию. Однако форма «Пенженская» (а не «Пензенская») требует отдельного пояснения. Скорее всего, она возникла от более старой или диалектной формы названия: в русских говорах и в документах XVII–XVIII веков встречается вариант «Пенж» или «Пенжа» для обозначения реки или местности. Суффикс «-енск-» при таком корне даёт естественное звучание «Пенженский». То есть фамилия могла закрепиться за человеком, который был родом из села Пенжа или из района реки Пензы, но в письменной фиксации отразился местный говор.

Второй, менее вероятный путь — от прозвища Пенжа. В некоторых диалектах «пенжать» означало «медлить, копаться» или «ныть, канючить». Прозвище могли дать неторопливому или ворчливому человеку. Тогда фамилия Пенженский (а женская форма — Пенженская) образовалась бы по модели «прозвище + -ск-», что для крестьянских фамилий редкость: суффикс -ск- в основном закреплён за географическими названиями. Поэтому версия с рекой и местностью выглядит убедительнее.

Женская форма Пенженская указывает, что носительница либо принадлежит к роду Пенженских (по мужу или отцу), либо сама получила фамилию в готовом виде, что типично для фамилий на -ская, которые часто не склоняются к мужскому варианту в быту. Встречается эта фамилия в основном в центральной России и в Поволжье, что косвенно подтверждает связь с Пензенским краем. В дворянских родословных книгах Пенженские не значатся — скорее всего, это фамилия духовного или мещанского сословия, возможно, выпускников семинарий, где часто давали фамилии по названиям сёл и рек.