Фамилия Поленищенко звучит как типичная украинская фамилия, и её разбор стоит начать с суффикса. Модель на -енко, распространённая на Левобережной и Степной Украине, указывает на происхождение от прозвища или имени отца: Поленищ — это основа, а -енко — «сын» или «потомок». То есть Поленищенко буквально значит «сын Поленища».

Корень фамилии — «полено». В русских и украинских говорах полено — это не только чурбак для растопки, но и прозвище. Поленищем в народе могли назвать человека неуклюжего, грубого, высокого и худого — похожего на длинную деревяшку. Однако есть и другая версия: прозвище могло закрепиться за дровосеком, лесорубом или человеком, который торговал дровами. В условиях, где отопление было делом жизни, профессия давала устойчивое прозвище.

Особенность фамилии — форма Поленищенко, а не Поленищенко или Поленищенков. Суффикс -ищ- в украинском языке часто имеет увеличительное или пренебрежительное значение: Поленище — это не просто полено, а большое, грубое полено. Такое прозвище скорее давали за внешность или характер, чем за ремесло. В русских фамилиях та же основа дала бы Поленищев, Поленинов или Поленов, но украинский суффикс -енко сохранил исходное прозвище почти без изменений.

Географически фамилия тяготеет к северу Украины и югу России — к Слобожанщине и бывшим землям Войска Запорожского. В реестрах казаков XVIII века встречаются похожие прозвища, например Поленица или Поленище, но письменные фиксации фамилии Поленищенко редки. В современных базах данных она встречается спорадически, что говорит о её локальном бытовании: скорее всего, фамилия возникла в одном или нескольких сёлах и не получила широкого распространения.

С точки зрения словообразования, фамилия прозрачна и не даёт повода для споров. Версия о связи с «поляницей» (богатыршей в былинах) или с польским «polenica» (полячка) маловероятна: для таких вариантов нужен другой корень и другое ударение. Поленищенко — это «полено» в прямом и переносном смысле, и предки носителя, скорее всего, получили прозвище за свой вид или занятие, связанное с дровами.