Фамилия Питонцева — женская форма фамилии Питонцев. Чтобы понять её происхождение, нужно разобрать мужской вариант, который образован по стандартной модели: основа плюс суффикс -ев. Здесь суффикс указывает на принадлежность («чей?» — сын Питонца), а сама основа — прозвище или имя Питонец.

Самая вероятная версия связывает фамилию с диалектным словом «питон», которое в русских говорах имеет значение, далёкое от змеи. В псковских и тверских говорах «питоном» называли упрямого, капризного или привередливого человека, того, кто «питонит» — капризничает, дуется. Суффикс -ец в основе (Питонец) мог как усиливать это значение («тот, кто капризничает»), так и указывать на происхождение из какой-то местности или на схожесть с кем-то. В ономастике известна фамилия Питонов, и Питонцев — её более редкий вариант с суффиксом -ец, который в прозвищах часто выполнял роль уменьшительности или ироничной характеристики.

Менее вероятна, но допустима связь с каноническим именем Питирим (в просторечии — Питон). В этом случае Питонец — производная форма от имени, а фамилия — отчество «второго порядка»: сын Питонца. Однако, учитывая, что имя Питирим было редким и в основном церковным, прозвищное происхождение от диалектного слова выглядит убедительнее.

Географически фамилия Питонцев (и Питонцева) тяготеет к северо-западу России. Встречается она нечасто, и её носители — потомки крестьян или посадских людей из Псковской, Новгородской или Тверской губерний. Фамилия зафиксирована в списках жителей Пскова и окрестностей, что косвенно подтверждает связь с северо-западной диалектной лексикой. Первый носитель прозвища Питонец, скорее всего, был человеком с непростым, своенравным характером, за что и получил такое прозвище от односельчан.