Фамилия Поленюк — яркий пример того, как украинская модель фамилии вросла в русский быт. Её основа — прозвище или имя Поленя, а суффикс -юк указывает на прямую связь с отцом: «чей сын?» — Поленюк, то есть «сын Полени». Это типичный патроним для западных и центральных областей Украины, откуда фамилия постепенно распространилась на юг России и в Сибирь вместе с переселенцами.

Корень «Полен-» ведёт к нескольким версиям. Самая простая: от глагола «полоть» — так могли называть человека, занятого прополкой, или же дать прозвище кому-то нерадивому, кто «полет», то есть плохо работает. Менее очевидная, но правдоподобная связь — с уменьшительной формой имени Аполлон или Ипполит. В народе такие имена часто сокращали до Поленя, а уже от этого бытового варианта и пошла фамилия. В пользу этой версии говорит то, что в украинской ономастике множество фамилий образовано от народных форм календарных имён (Михайлюк, Гаврилюк, Иванюк).

Встречается и вариант с ударением на второй слог — Поленю́к, что характерно для некоторых говоров Подолья и Волыни. Написание фамилии устойчивое, без вариантов вроде Поленюк/Паленюк, хотя в дореволюционных метрических книгах могла встречаться запись «Полѣнюкъ» через «ять».

Социальный состав носителей фамилии был пёстрым. Основная масса — крестьяне и казаки, но среди Поленюков встречались и мещане, и священники. Фамилия не элитарная, а именно «народная», что и объясняет её распространённость: каждый пятый украинский род мог получить фамилию по отцу или прозвищу, и Поленюк — один из миллионов таких случаев.