Фамилия Пензиенко — характерный пример украинской модели фамилий на -енко, самой распространённой в восточной и центральной Украине. Суффикс -енко исторически указывал на сына или потомка человека, названного в основе: Пензиенко буквально означало «маленький Пензий», «сын Пензия».

Основа фамилии — Пензий — звучит необычно для современного уха, и её происхождение неочевидно. Скорее всего, это прозвище или патроним, образованный от личного имени Пенза. Имя Пенза, в свою очередь, могло быть производным от канонического имени Пентезифей (греческого происхождения, из церковного календаря), которое в бытовой речи упростили до Пензий или Пенза. Такое сокращение имён — обычное дело в народной среде: длинные и редкие церковные имена обрезали до двух-трёх слогов.

Другая, менее вероятная версия связывает фамилию с названием города Пенза. Но тогда фамилия звучала бы как Пензенко или Пензин, а форма Пензиенко с мягким согласным и суффиксом -енко типична именно для украинской антропонимии, а не для великорусской. Географическая привязка к городу Пенза маловероятна ещё и потому, что на Украине фамилии от названий городов встречаются реже, чем от имён или прозвищ.

Любопытная деталь: фамилия Пензиенко — довольно редкая. В современных базах данных она фиксируется в основном в центральных и восточных областях Украины, а также среди потомков украинских переселенцев в России. Её редкость говорит о том, что исходное имя Пензий не было широко распространено, а значит, носители фамилии, скорее всего, происходят из одной локальной группы, где это имя или прозвище передавалось по наследству.

Таким образом, Пензиенко — украинская фамилия, образованная от личного имени или прозвища Пензий (вероятно, сокращение от Пентезифей) по стандартной модели «сын такого-то». Предки носителя этой фамилии были, скорее всего, крестьянами или казаками, жившими на территории современной Украины, и получили фамилию по имени деда или отца.