Фамилия Попелющенко звучит по-украински и по-белорусски, хотя встречается и в южных областях России. Её основа — не имя и не профессия, а прозвище, и это сразу выделяет её из ряда фамилий на -енко, образованных от крестильных имён.

В центре — слово «попел» или «попіл» (пепел, зола). Прозвище Попелюх, Попелюшка или Попелющенко (в значении «сын Попелюха») могли дать человеку с очень светлыми, пепельными волосами. Это самая прямая и очевидная версия. В украинских сказках «Попелюшка» — это аналог Золушки, девушка, которая вечно возится в золе, но для фамилии сказочный подтекст вторичен: прозвище чаще давали по внешности, а не по роду занятий.

Суффикс -енко типичен для Поднепровья и Левобережной Украины, он означает «маленький» или «сын». То есть Попелющенко — буквально «маленький Попелюх» или «сын Попелюха». Форма с -щ- (а не -ш- или -х-) — результат ассимиляции: основа Попелюх- плюс суффикс -енко дали Попелюхенко, которое в живой речи смягчилось до Попелющенко. Такое написание встречается реже, чем Попелюшенко, и может указывать на конкретный говор или регион — например, на Правобережную Украину или юг Беларуси, где подобные переходы звуков обычны.

Менее вероятная, но возможная версия — связь с ремеслом. В некоторых говорах «попелюх» называли золотаря, человека, работающего с пеплом (например, при выжиге поташа или в стекольном деле). Однако для закрепления фамилии это прозвище должно было быть очень распространённым в одной местности, чего не видно по историческим записям. Поэтому объяснение через цвет волос остаётся основным.

Географически фамилия рассредоточена, но не частотна. Наибольшая плотность — в Черкасской, Кировоградской и Полтавской областях Украины. В России она встречается эпизодически, чаще всего как след переселения украинских крестьян в XIX–XX веках.

Сравните с однокоренными: Попелюх, Попелюшко, Попеляев, Попелов. Все они ведут к одному корню, но Попелющенко сохраняет уменьшительно-патронимический оттенок, указывая на то, что родоначальник был не просто «пепельным», а младшим в семье или сыном человека с таким прозвищем.