Фамилия Полионов — редкая и по звучанию напоминающая о греческих корнях, но в русском контексте её происхождение скорее всего связано с именем или прозвищем. Основа фамилии — «Полион» — могла возникнуть от разговорной формы крестильного имени Аполлон (через «Аполлоний» и далее «Полон»). Аполлон в древнегреческой мифологии — бог искусств и света, имя было популярно среди духовенства и образованных слоев, но в народе его часто упрощали. Суффикс «-ов» указывает на типичную русскую патронимическую модель: Полионов буквально значит «сын Полиона», то есть потомок человека, которого звали Полион.

Однако есть и вторая, менее очевидная версия. Слово «полион» могло быть прозвищем, образованным от диалектного «полый» (пустой, полый внутри) или от «поли» (поля). В таком случае прозвище давали человеку, жившему на открытой местности, либо тому, кого считали «пустым», несерьёзным. Такие прозвища нередко становились фамилиями в крестьянской среде. Но эта версия слабее: суффикс «-ион» нехарактерен для русских прозвищ, скорее он выдает книжное или церковное влияние.

Географически фамилия Полионов встречается редко, преимущественно в центральных областях России и в Поволжье. В дореволюционных источниках её носители могли быть как священниками (от имени Аполлон), так и крестьянами или мещанами. Сословие однозначно определить сложно — фамилия не дает явных указаний на дворянство или купечество.

Ономастический словарь Б. Унбегауна не выделяет Полионова отдельно, но модель с основой на «-ион» он относит к числу производных от греческих имен, адаптированных в русской среде. Таким образом, наиболее вероятно, что предки носителя этой фамилии были людьми, получившими имя в честь античного бога, или их потомками, чье прозвище закрепилось в официальном документе.