Фамилия Протопенкова — женская форма, образованная от мужской фамилии Протопенков. В её основе лежит прозвище или именование Протопенко, которое, в свою очередь, происходит от слова «протопоп». Протопоп — это старорусское название протоиерея, то есть главного священника в церковном округе. Так могли называть не только самого священника, но и его сына, а также работника или человека, находившегося у него в услужении.

Суффикс -енко в основе Протопенко типичен для украинской и южнорусской ономастики. Он указывает на происхождение: Протопенко — буквально «сын протопопа» или «потомок протопопа». Такая модель словообразования была распространена на территории современной Украины и в южных областях России (Курская, Белгородская, Воронежская губернии). Фамилия Протопенков, скорее всего, возникла уже в русской среде при адаптации украинской фамилии: к основе Протопенко добавили русский патронимический суффикс -ов, что дало форму Протопенков («чей?» — сын Протопенко).

Таким образом, предок носительницы фамилии Протопенкова был либо самим протопопом, либо, что более вероятно, его сыном или внуком, унаследовавшим прозвище по отцу. В отличие от фамилии Протопопов, которая могла принадлежать и потомкам священника, и людям, получившим прозвище за сходство с ним, форма Протопенков более конкретно указывает на прямую родственную связь — «маленький протопоп», отпрыск.

Распространение фамилии неравномерно. Встречается она реже, чем Протопопов, и чаще фиксируется в регионах, где исторически смешивались русское и украинское население: в Курской, Белгородской, Ростовской областях, а также в Сибири, куда переселенцы привозили свои фамилии. Вариант написания с двумя «п» (Протопенков) устоялся в русской орфографии, хотя в документах XVIII–XIX веков можно встретить написание «Протапенков» или «Протопинков» — это следы местного произношения.