Фамилия Поднебес — редкий случай, когда прозвище или мирское имя образовано не от профессии или внешности, а от устойчивого фольклорного образа. В основе лежит словосочетание «под небесами» — то есть «под небом», «на земле». В старину так могли назвать человека, который жил открыто, на виду, или, напротив, того, кто не имел крыши над головой, бродягу. Вторая версия, менее романтичная, но более бытовая: прозвище Поднебес мог получить высокий ростом человек — «до неба» или «под самое небо». Третий вариант отсылает к географическому названию: в некоторых говорах «поднебесье» означало возвышенность, открытое высокое место, и житель такого места получал фамилию по месту жительства.

Словообразовательный тип фамилии — чистый, без суффиксов, что характерно для поздних прозвищных фамилий, которые часто закреплялись в крестьянской среде на юге и востоке России. Обычно такие фамилии на -ес, -ас (ср. Подберес, Подлес) встречаются в белорусском и украинском ареалах, но Поднебес — скорее русская фамилия, зафиксированная в документах XIX века в Курской и Воронежской губерниях. Встречается она редко, что говорит о её локальном происхождении: вероятно, она возникла в одной или нескольких соседних деревнях и не получила широкого распространения.

В отличие от фамилий, образованных от церковных имён (Иванов, Петров) или ремёсел (Кузнецов, Плотников), Поднебес — это прозвище, которое в XVI–XVII веках могло быть мирским именем. Такие имена давали для отличия от других носителей крестильного имени, и они часто отражали внешность, характер или обстоятельства рождения. Носитель фамилии Поднебес мог быть либо очень высоким человеком, либо тем, кого в деревне знали как «божьего человека» — странника или юродивого. Сословно фамилия однозначно крестьянская: в дворянских родословных книгах она не встречается.

Если сравнивать с однокоренными фамилиями, то Поднебесный — более распространённый вариант с суффиксом -н-, который мог принадлежать духовенству (семинарские фамилии часто образовывали от церковнославянских слов). Поднебес же, без суффикса, остался в народной среде. В современных справочниках фамилия Поднебес числится как редкая, её носители живут в основном в Центральной России и на Урале, что подтверждает миграцию крестьян после отмены крепостного права.