Фамилия Полонченко звучит на украинский лад и почти наверняка имеет украинское происхождение. Суффикс -енко — типичный для восточной Украины, он образует фамилии по модели «сын такого-то» или «потомок». В основе лежит прозвище или имя Полонок, Полонец, либо прилагательное полонный.

Самый вероятный корень — слово «полон» (плен). В старину «полоняник» или «полонянин» означало пленного, захваченного в плен человека. Прозвище Полон мог получить либо бывший пленник, вернувшийся домой, либо человек, попавший в плен, но освободившийся. Фамилия Полонченко, таким образом, означает «потомок Полона» или «сын того, кто был в полоне». Менее вероятная, но возможная версия — связь с топонимом Полонное (город на Украине) или с польским словом polony (поздний, запоздалый), но украинский суффикс -енко указывает скорее на прозвищную основу, а не на географическое название.

Встречается и вариант написания Полонченко с ударением на втором слоге. В исторических документах фамилия фиксируется в основном на территории современных Полтавской, Черкасской и Киевской областей. Сословно носители фамилии относились к казакам и крестьянам, реже — к мещанам. Дворянских родов Полонченко в Российской империи не отмечено, что подтверждает её народное, прозвищное происхождение.