Фамилия Поленцова — женская форма, а мужская, Поленцов, образована от прозвища или мирского имени Поленец. Разбирать её удобнее с корня «пол-», который в восточнославянских языках связан с понятием «половина» или «полый», то есть пустой. Скорее всего, прозвище Поленец давали человеку, имевшему отношение к чему-то половинчатому: например, он мог быть вторым сыном — «половиной» наследства, или же работать с половинными долями в хозяйстве. Менее вероятная, но возможная версия — связь с диалектным «полень» (полено), то есть прозвище могли дать плотнику или дровосеку. Суффикс «-ец» указывает на принадлежность к группе людей или на характерный признак: Поленец — «тот, кто относится к половине» или «человек с прозвищем Полен».

Модель образования типична для русских фамилий: основа на «-ец» плюс патронимический суффикс «-ов» (чей? — Поленцов). Окончание «-а» в женском варианте — стандартное согласование. Фамилия редкая: она не входит в списки ста самых распространённых в России, и её география не привязана к какому-то одному региону. Встречается в основном в центральных областях и на Урале, что указывает на возможное происхождение от переселенцев или крестьян, получивших фамилию при переписях XVIII–XIX веков.

Стоит отметить, что фамилия Поленцов имеет омонимичную форму с отчеством от имени Полен — сокращённой формы от Аполлон или Ипполит, но в русской традиции «Поленец» — это именно прозвищное образование, а не производное от канонического имени. Социально фамилия недворянская: носители Поленцовы в исторических документах — крестьяне и мещане. В словаре Б. Унбегауна «Русские фамилии» подобные модели на «-ец» описаны как характерные для прозвищ, но сама фамилия Поленцов в нём не упоминается, что подтверждает её локальный характер.