Фамилия Полененкова — женская форма фамилии Полененков. В её основе лежит прозвище или нецерковное имя Поленя. Такие имена были распространены в русской деревне и часто образовывались от названий растений. В данном случае корень «полен-» напрямую связан со словом «полено» — отрезок древесного ствола, расколотый для растопки. Это прозвище мог получить человек плотного, коренастого телосложения, либо тот, кто занимался заготовкой или продажей дров.

Модель образования фамилии стандартна для центральной России: к основе на -я добавился суффикс -енк- (Поленя → Полененко), а затем патронимический суффикс -ов. Таким образом, Полененков — это «сын Полененка», то есть потомок человека, которого в семье или в округе звали Поленей. Суффикс -енк- в русских фамилиях чаще встречается на юге (украинское влияние), но в сочетании с -ов он указывает на северную или центральную Великороссию, где такие гибридные формы появлялись в XVII–XVIII веках в среде служилых людей и крестьян.

В словаре Веселовского «Ономастикон» зафиксировано прозвище Полено, от которого пошли Поленовы. Фамилия Полененков — более редкая, она могла возникнуть в результате диалектного произношения: в некоторых говорах Поленя — это уменьшительная форма от Полен. Встречается она преимущественно в Поволжье и на Урале, куда переселенцы принесли её в эпоху освоения новых земель.

Версия о связи с польским или белорусским корнем (например, от слова «поляна») маловероятна: фамилия имеет чёткую русскую словообразовательную цепочку, а суффикс -енк- в ней не типичен для западнославянских фамилий, где чаще встречается -ик или -ок. Носительницы фамилии Полененкова могут с высокой долей вероятности считать своими предками крестьян или ремесленников, живших в лесной полосе России и связанных с заготовкой дерева.