Фамилия Полюлюк — редкий пример модели, в которой суффикс -юк указывает на западноукраинское или белорусское происхождение, а основа неочевидна на первый взгляд. Чтобы понять её, нужно отбросить конечное -юк и присмотреться к корню «Полюл-». Самое вероятное объяснение: перед нами производное от личного имени Павел, но в одной из диалектных форм. В украинских и польских говорах имя Павел нередко звучало как Павлюк, Павлюль, а затем, в результате редукции и упрощения, могло дать вариант Полюль. От него и пошла фамилия Полюлюк — то есть «сын Полюля» или «потомок того, кого звали Полюль». Такая цепочка (Павел → Павлюль → Полюль → Полюлюк) не редкость для антропонимии Западной Украины, где имена дробились на десятки уменьшительных форм.

Менее вероятная, но не исключённая версия связывает фамилию с прозвищем от глагола «полюливать» — в некоторых говорах так называли человека, который любил напевать или мурлыкать себе под нос (от звукоподражательного «лю-лю»). Однако эта гипотеза слабее: прозвищ на -юк от глагольных основ почти не образуют, а вот от имён — сплошь и рядом.

Географически фамилия Полюлюк тяготеет к Волыни и Полесью, встречается также в Гродненской и Брестской областях Беларуси. В России она редка и фиксируется в основном среди потомков переселенцев с запада. Социально носители фамилии в XIX веке чаще всего были крестьянами или мещанами — суффикс -юк в тех краях был типичен для сельских фамилий, в отличие от дворянских на -ский.

Написание фамилии устойчивое: через «ё» (Полюлюк, а не Полюлюк) встречается лишь в единичных случаях из-за ошибочной транскрипции. Ударение, судя по модели, падает на последний слог — Полюлю́к, хотя в бытовой речи иногда смещается на второй.