Фамилия Полуновских — редкий случай, когда географическая привязка и суффиксальная модель настолько тесно переплетены, что почти сразу выдают происхождение. Это типичная фамилия на -ских/-цких, которая в русской ономастике указывает на прозвище по месту жительства или на принадлежность к роду из определённой местности. В отличие от массовых -ов/-ев, такая модель была характерна для северных и центральных регионов России, особенно для бывших великорусских земель, где в XVI–XVII веках складывались фамилии служилых людей и крестьян.

Основа фамилии — Полунов- — восходит к топониму Полуново или Полунова. Такие названия встречаются в разных областях: есть деревня Полуново в Тверской области, село Полуновка в бывшей Воронежской губернии, а также урочища с похожим корнем в Сибири. Человек, которого прозвали «Полуновский», скорее всего, был выходцем из одного из этих мест или владел там землёй. Суффикс -ск- в сочетании с окончанием -их (Полуновских) характерен для фамилий, которые закрепились в форме родительного падежа множественного числа: «из рода Полуновских». Такая грамматика — признак того, что фамилия могла оформиться в среде, где было принято указывать на целый род, а не на отдельного человека.

Корень «полун» неочевиден. Самое прямое объяснение — от слова «полуночь» или «полудень» (север или юг), но в топонимике часто встречается вариант от личного прозвища Полун — человека, который родился или жил в полдень (то есть в южной стороне) или имел отношение к полуночи. Однако правдоподобнее связь с диалектным «полунить» — мешкать, делать что-то наполовину. В таком случае прозвище Полун мог получить нерасторопный или нерешительный человек. Но для фамилии Полуновских, скорее всего, первичен именно топоним, а не прозвище: суффикс -ск- редко образуется от личных имён без географической привязки.

Встречаемость фамилии невысокая. По данным открытых источников, Полуновские концентрируются в основном в Центральной России и на Урале, что совпадает с зоной расселения носителей «северного» типа фамилий на -ских. Сословно предки могли быть как крестьянами, так и мелкими служилыми людьми — например, однодворцами, которые в XVII–XVIII веках получали фамилии по названиям своих деревень. Если исходить из того, что основа — Полуново, то такой топоним мог принадлежать поместью или выселку, а его жители при переписи записывались как «Полуновские».

Сравнение с однокоренными фамилиями (Полунов, Полунин, Полуновский) показывает, что Полуновских — одна из самых редких форм. Окончание -их в русских фамилиях обычно застывает в именительном падеже единственного числа (например, Черных, Белых), но здесь мы видим родительный падеж: «из Полуновских». Это может указывать на то, что фамилия закрепилась в документах уже в XVIII–XIX веках, когда форма на -ских/-цких стала стандартной для обозначения дворянских и купеческих родов, но с добавлением -их — особенность северного говора.