Фамилия Полынская в большинстве случаев восходит к мирскому имени Полынь. До крещения Руси и ещё несколько столетий после него в обиходе широко использовались имена-обереги, образованные от названий растений, животных и явлений природы. Имя Полынь давали младенцу, чтобы природа воспринимала его как своего, а вместе с именем к ребёнку переходили полезные качества этого растения — горечь, стойкость, неприхотливость. Потомок человека по имени Полынь со временем получал фамилию Полынская.

Однако есть и вторая, не менее правдоподобная версия. Фамилия могла образоваться от названия села Полынь, Полынино или Полынское. Выходец из такого села получал прозвание Полынский, а его потомки закрепляли его как фамилию. Населённые пункты с такими названиями встречаются в России повсеместно, поэтому точно указать, из какой именно местности вышел основатель рода, невозможно.

Словообразовательная модель здесь прозрачна: суффикс -ск- в русских фамилиях традиционно указывает на связь с географическим объектом или принадлежность к местности. Фамилии на -ский/-ская исторически чаще встречались среди дворянства и духовенства, но в XIX веке распространились и в других сословиях, особенно через семинарскую традицию, где фамилии нередко давали по названию родного села или храма.

Интересно, что в отличие от более распространённых фамилий на -ов/-ин, форма Полынская сохраняет женский род в названии, что характерно для фамилий, которые первоначально бытовали в форме прилагательного: Полынский — Полынская. Такая парность типична для фамилий-прилагательных, тогда как фамилии на -ов/-ин чаще застывали в мужской форме.

Родственными по корню можно считать фамилии Полынин, Полынников, Полынов — все они отталкиваются от того же корня, но образованы разными суффиксами и моделями. Если Полынин прямо указывает на отца по имени Полынь, то Полынская скорее говорит о территориальной или сословной принадлежности предка.