Фамилия Полтавцова — женская форма фамилии Полтавцов, которая образована от прозвища или именования Полтавец. Основа здесь прозрачна: так называли выходца из города Полтава. Это типичная «географическая» фамилия, каких много в русском ономастиконе: Москвин, Тверитинов, Рязанцев. Суффикс -ов в мужской форме указывает на принадлежность («чей?» — сын Полтавца), а женское окончание -а просто меняет род носителя.

Интересно, что фамилия Полтавцов встречается не только на юге России, где логично было бы ожидать переселенцев из Полтавской губернии, но и в центральных областях, и даже на Урале. Это объясняется историческими процессами: после присоединения Малороссии в XVII веке и особенно после переселенческих реформ XVIII–XIX веков носители прозвища Полтавец расселились далеко за пределы родного края. Фамилия фиксируется в документах как минимум с XVIII века, например, в ревизских сказках Курской и Воронежской губерний.

Словообразовательная модель проста: топоним Полтава → житель Полтавец → прозвище → фамилия Полтавцов. Суффикс -ец в основе прозвища типичен для обозначения жителя города или местности (ср. калужец, тулец). Вариант с -ов, а не с -ский (как Полтавский) говорит о более раннем и «низовом» происхождении: такие фамилии чаще возникали в крестьянской и казачьей среде, а не у дворянства, которое предпочитало «географические» фамилии на -ский.

Споров вокруг этимологии почти нет: основная версия единственная и надёжная. Редкая альтернатива — связь с диалектным словом «полтавка» (сорт пшеницы или ткань) — маловероятна, так как прозвище по сорту зерна давали бы скорее не Полтавец, а Полтавка или Полтавщик. Так что с высокой долей уверенности предки современных Полтавцовых — люди, переехавшие из Полтавы или её окрестностей, и фамилия закрепилась за ними как указание на прежнюю родину.