Фамилия Пензякова образована от прозвища или нецерковного имени Пензяк. Основа здесь — «пенз-», которая напрямую отсылает к городу Пенза или к реке Пензе. Суффикс -як в русских прозвищах типичен для обозначения человека по месту жительства или происхождения: москвич — москвитяк, туляк, пермяк. Пензяк — это житель Пензы или Пензенской губернии. Такие прозвища давали переселенцам, которые переезжали в другие края и получали «географическую» метку от соседей. Соответственно, Пензяков — потомок человека, которого звали Пензяком, то есть выходца из Пензы.

Модель образования типична для русских фамилий: прозвище на -як плюс притяжательный суффикс -ов. Женская форма Пензякова — это вариант по мужу или отцу, а мужская — Пензяков. Фамилия сравнительно редкая, её ареал не обязан совпадать с Пензенской областью: чаще всего такие фамилии встречаются за пределами исходного региона, так как прозвище закреплялось за человеком на новом месте.

Другие возможные, но менее вероятные версии: от диалектного слова «пензяк» в значении «упрямец» или «неповоротливый» (если такое бытовало локально), либо от тюркского корня, но это уже натяжка, так как географическая связь с Пензой лежит на поверхности. В словаре русских фамилий Б. Унбегауна подобные модели описаны как стандартные для «местнических» прозвищ.

Если искать однокоренные фамилии, то Пензев, Пензин, Пензенцев — все они от той же основы, но с разными суффиксами. Пензяков выделяется именно суффиксом -як, который придаёт прозвищу оттенок просторечности и бытовой принадлежности к месту.