Фамилия Полуненко — характерный пример украинской модели фамилии на -енко, которая в XVII–XVIII веках стала самой распространённой на Левобережной Украине и в Слобожанщине. Суффикс -енко в украинской ономастике традиционно указывал на сына или потомка: Полуненко — буквально «сын Полуна» или «маленький Полун». В отличие от русских фамилий на -ов/-ев, где притяжательность выражается через принадлежность отцу, украинские фамилии на -енко часто сохраняли прозвищный характер и дольше не застывали в наследственной форме.

Основа фамилии — Полун — скорее всего, прозвище, а не каноническое имя. В украинских говорах «полун» могло означать человека, который «полует», то есть полощет бельё, или того, кто занимается полосканием чего-либо. Однако более правдоподобная версия связывает прозвище с диалектным глаголом «полунити» — ворчать, брюзжать. Тогда Полун — ворчливый, недовольный человек. Встречается и вариант от «полуня» — ленивый, медлительный (от пол. «len» — лень). Точное значение зависит от региона, но в любом случае прозвище имело бытовую, неофициальную природу.

Географически фамилия Полуненко тяготеет к центральным и восточным областям Украины — Полтавщине, Черкасчине, Харьковщине. В российских переписях XIX века она встречается редко, преимущественно в южных губерниях, куда переселялись украинские крестьяне. Сословно носители фамилии относились к казачеству или крестьянству — фамилии на -енко редко встречались у дворян, за исключением тех случаев, когда потомки казацкой старшины получали шляхетство.

В написании возможны варианты через «а» — Полуненко, что связано с аканьем в некоторых говорах, но исторически правильной считается форма с «о» в первом слоге. Родственные фамилии — Полунов, Полунин, Полунец — в русской среде образовались от той же основы, но с другими суффиксами. Украинский вариант на -енко сохранил более архаичную модель именования по отцу или прозвищу.