Фамилия Поднебесский сразу вызывает ассоциацию с Поднебесной — старым поэтическим названием Китая. Однако связь здесь не прямая, а скорее книжная или семинарская. В русской ономастике такие фамилии нередко давали в духовных училищах и семинариях: ученикам, проявившим способности к географии, истории или риторике, могли присвоить «красивую» фамилию по названию страны или части света. Поднебесский мог появиться как искусственное, «кабинетное» образование от словосочетания «под небесами» — то есть «вселенский», «земной», но с возвышенным оттенком.

Разберём словообразовательную модель. Суффикс -ск- указывает на принадлежность или происхождение, характерный для дворянских фамилий (княжеских по владению) и для фамилий духовенства. Основа «Поднебес-» восходит к прилагательному «поднебесный», что значит «находящийся под небом», «земной», а также «весь мир». В отличие от фамилий на -ов/-ев, которые чаще образовывались от прозвищ или имён отцов, -ский в таких случаях — признак искусственного, «учёного» происхождения. Фамилия могла закрепиться за выпускником, который получил её при поступлении в семинарию, и затем передаваться по наследству.

Есть и более прозаичная версия. В говорах «поднебесье» иногда называли не только небо, но и высокое, открытое место, холм или гору. Если предок жил на возвышенности, в «поднебесном» месте, его могли прозвать Поднебесником, а потомки уже стали Поднебесскими. Но эта версия менее вероятна: фамилия редкая, не массовая, и её книжное звучание склоняет к версии о семинарском происхождении.

Географически Поднебесские встречаются в центральных и северных областях России, но нигде не образуют компактных гнёзд — ещё один признак искусственного, а не прозвищного происхождения. В ревизских сказках и метрических книгах XIX века эта фамилия почти всегда фиксируется у лиц духовного звания или их детей. Таким образом, с высокой долей вероятности, первый носитель фамилии Поднебесский — это выпускник духовной семинарии, получивший звучную фамилию как награду за успехи или просто по традиции давать «географические» фамилии.