Фамилия Поленчук образована по одной из самых распространённых в западных и юго-западных регионах Российской империи моделей — с помощью суффикса -чук. Этот суффикс в украинской и белорусской ономастике традиционно указывал на сына или ученика мастера: Поленчук — сын Полена или, что вероятнее, сын (помощник) Полина (Полищука). Такой тип фамилий массово закрепился в XVI–XVII веках на Волыни, Подолье, в Галиции и Полесье.

Основа фамилии — имя Полен (Полин). Это народная форма церковного имени Аполлинарий (от лат. Apollinaris — «посвящённый Аполлону») или же Ипполит (от греч. «распрягающий коней»). В украинской среде имя Полин или Полен не было редкостью, а фамилии Поленюк, Поленчук, Полищук фиксируются в исторических документах начиная с XVIII века. Менее вероятная, но возможная версия — прозвище от диалектного «полень» (полено), данное плотнику, дровосеку или просто коренастому человеку, но для фамилии на -чук такой бытовой корень нетипичен.

Географически Поленчуки — типичная фамилия западноукраинского ареала. Её концентрация заметна в Хмельницкой, Ровенской и Житомирской областях, а также среди потомков переселенцев на Кубань и в Сибирь. В дореволюционных ревизских сказках носители фамилии числились преимущественно крестьянами и казаками, без привязки к дворянству. Интересно, что в русском языке фамилия нередко искажалась: в метрических книгах XIX века встречаются варианты Поленчуков (с русифицированным окончанием) и даже Поленщиков — под влиянием суффикса -щик, который в северных губерниях заменял малопонятное -чук.

Родственные фамилии — Поленюк, Полищук, Поленов — различаются суффиксами, но восходят к тому же имени. Поленчук — одна из тех фамилий, где по суффиксу можно безошибочно определить регион происхождения предков: это западная Украина или юг Беларуси, где модель на -чук оставалась продуктивной до XIX века.