Фамилия Полюнова образована от мужского имени или прозвища Полюн. Это довольно редкая модель: в русской традиции фамилии на -ов/-ев чаще всего возникали от основ, заканчивающихся на согласный, а здесь исходное слово имеет мягкий конечный звук. Полюн — это, скорее всего, не полное календарное имя, а народная, обиходная форма. Чаще всего её связывают с именем Полиевкт (греч. «многожеланный») или Аполлон — в просторечии эти имена сокращались до Полюн, Полюня. Второй вариант: Полюн мог быть прозвищем от слова «поляна» или «поле» — например, так могли назвать человека, жившего на поляне, или того, кто обрабатывал поле. Но здесь есть тонкость: в прозвищах от «поле» обычно возникали формы Полевой, Поляков, а Полюн — скорее уменьшительное от имени.

Суффикс -ов в фамилии указывает на принадлежность: Полюнов — сын Полюна. Женская форма Полюнова закрепилась в документах при передаче фамилии по наследству. Географически фамилия встречается в центральных и северных областях России, но не массово. В переписных книгах XVII века можно найти единичные упоминания крестьян и посадских людей с такой фамилией в Вологодском и Костромском уездах. Это говорит о том, что предки носителей фамилии были, скорее всего, крестьянами или ремесленниками, а не дворянами — дворянские роды с этой фамилией не зафиксированы.

Интересная деталь: в старых записях можно встретить вариант написания «Полюновъ» с твёрдым знаком, а также ошибочное «Палюнов» из-за акающего произношения. Но современная норма — именно Полюнова, с ударением на второй слог. Если сравнивать с однокоренными фамилиями, то Полюнов стоит в одном ряду с Полюхиным, Полюшиным, Полюшкиным — все они образованы от производных имён Полюх, Полюш, Полюня. Это редкий случай, когда фамилия сохранила архаичную народную форму имени, почти не затронутую книжной традицией.