Фамилия Племенов — редкий случай, когда основа слова сохранила почти архаичное звучание. В её центре лежит слово «племя», но не в современном бытовом значении «группа людей», а в более древнем и широком. Скорее всего, фамилию дали человеку по прозвищу Племя — так могли назвать пришлого, чужака, который присоединился к роду со стороны, или, наоборот, коренного жителя, который олицетворял собой весь род. В русских говорах слово «племя» имело и оттенок «родня», «родственники», поэтому прозвище могло закрепиться за главой большого семейства или за человеком, который заботился о сородичах.

Суффикс -ов указывает на стандартную патронимическую модель: Племенов — буквально «сын Племена». Такая форма образования фамилий в центральной и северной России была основной, поэтому географически фамилия скорее всего возникла в районах, где преобладало вотчинное землевладение и крестьянство. Интересно, что в отличие от более частых фамилий на -ин (от основ на -а/-я), здесь использована форма родительного падежа на -ен: Племен — Племенов, что типично для древних полных форм имён (ср. Козьма — Козьмин, но Пётр — Петров).

Менее вероятная, но возможная версия связывает фамилию с церковнославянским словом «племя» в значении «потомство». В этом случае Племенов могло быть семинарской фамилией, данной в духовных училищах выходцам из многодетных семей или тем, кто отличался плодовитостью. Однако для семинарских фамилий чаще использовали латинские или греческие корни, так что эта гипотеза слабее.

В дореволюционных переписях фамилия Племенов встречается редко, преимущественно в Вологодской и Костромской губерниях, где сохранялись архаичные говоры. В современной России она остаётся малочисленной, что делает её ценной для генеалогического поиска — носители, скорее всего, связаны общим предком, жившим не позднее XVII века.