Фамилия Полонкой — редкий пример, где окончание указывает не на грамматический род, а на способ образования. В ней нет суффикса -ов или -ин, которые присоединяются к основе. Перед нами форма творительного падежа единственного числа от прозвища или фамилии Полонка. В русской ономастике так закрепляли за человеком имя отца или прозвище в ответе на вопрос «чей сын?» или «кем приходится?». Полонкой — значит «сын Полонки» или «человек из рода Полонки».

Само прозвище Полонка, скорее всего, связано с прилагательным «полонный» — то есть относящийся к плену, полону. В древнерусском языке «полон» означал плен, захват людей. Полонкой могли прозвать человека, который попал в плен и вернулся, либо того, кто занимался выкупом пленных. В южных и западных землях Руси, особенно в казачьей среде, такое прозвище было понятным и нередким: судьба полонянина была привычной в эпоху постоянных набегов.

Есть и вторая, менее вероятная версия — от географического названия. В Польше и на Украине встречаются села Полонка (например, в Волынской области). Тогда фамилия указывала бы на выходца из этого села: «приехал из Полонки». Но форма творительного падежа в фамилиях чаще закреплялась за личными прозвищами, чем за топонимами, поэтому версия с «полоном» выглядит убедительнее.

Фамилия Полонкой почти не встречается в центральных областях России. Её ареал — западные регионы, где были сильны польские и украинские влияния, а также казачьи территории. Встречается она и в Беларуси, где форма на -ой вообще более характерна для фамилий. В современной России носителей мало, фамилия остаётся редкой и локальной.