Фамилия Полонцов — редкий случай, когда географическое прозвище закрепилось в форме, указывающей на происхождение по отцу, но с необычным суффиксом. Основа здесь — «Полонец», житель Полоцка или выходец из польских земель. Но есть важный нюанс: суффикс -ов- присоединился к основе на -ец, что дало форму Полонцов, а не более привычное Полоцкий или Поляков. Такая модель встречается реже и говорит о том, что прозвище «Полонец» (человек, связанный с Полоцком или Польшей) успело стать семейным именем ещё до того, как его оформили патронимическим суффиксом.

Вторая версия, менее вероятная, но имеющая право на существование, — от прозвища Полонец в значении «пленник» (от древнерусского «полон» — плен). Однако против этого говорит то, что прозвища «Пленник» или «Полонянин» обычно давали людям, побывавшим в плену, и они редко образовывали фамилии на -ов. География фамилии подтверждает первую версию: Полонцовы встречаются в основном в центральных и северо-западных регионах России, откуда шла миграция из белорусских и польских земель. Сословно фамилия могла принадлежать как крестьянам, так и мещанам или духовенству — единой модели нет.

Интересно, что фамилия Полонцов не имеет варианта Полонцев, хотя по правилам русской орфографии после шипящих и ц под ударением пишется «о», а без ударения — «е». Здесь ударение падает на второй слог (Поло́нцов), поэтому написание через «о» закрепилось устойчиво. В дореволюционных метрических книгах иногда встречается написание Полонцев, но это скорее ошибка писаря, чем отдельная фамилия.